JP3669981B2

JP3669981B2 - Method for manufacturing module structure

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Publication number: JP3669981B2
Application number: JP2002258611A
Authority: JP
Inventors: 健次門田; 正浩伊吹山
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004096035A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱性電子部品を搭載したモジュールに関し、ことに発熱性電子部品の冷却効率を向上させたモジュール構造体の製造方法と回路基板の固定方法、及び、それに好適なセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高発熱性電子部品を実装する回路基板として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなるセラミック板に回路を設け、他の面に金属板を設けたセラミックス回路基板が用いられている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１６３０７７号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−３２６９４９号公報
【０００５】
これらの回路基板に、半導体素子等の電子部品を実装し、電源や信号を伝送するための電極などを組み合わせてモジュールとして構成し、放熱部材と共に、電子機器や電力制御機器などに用いられている（非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
「電気学会誌」第１１８巻、第５号、１９９８年、第２７４−２７７頁
【０００７】
一方、車載用電子機器や電力制御機器について、その小型化、省スペ−ス化と共に、電子機器をエンジンル−ム内に設置することも要望されている。エンジンル−ム内は温度が高く、温度変化が大きいなど過酷な環境であり、放熱性に優れるモジュールが必要とされる。このような用途に対して、放熱性に優れる前記セラミックス回路基板が注目されている（非特許文献２参照）。
【０００８】
【非特許文献２】
「三菱電機技法」第７５巻、第６号、２００１年、第４０９−４１２頁
【０００９】
これらの回路基板の回路には各種の電子部品が半田や導電樹脂などを介して接合されている。さらに、他の面に設けた金属板は、電子部品等の熱を効率よく外部に放熱するために、半田を介して、銅などの金属、又は、それらを含む各種合金、又は、各種金属とセラミックスで構成される金属基複合体などからなるベース板と接合される場合が多い。これらに、電極などを組み合わせてモジュールを構成し、ベース板の他の面は、放熱フィンなどの放熱部材との密着性をあげるため、グリースを介して接合し、使用されている（非特許文献３参照）。
【００１０】
【非特許文献３】
「三菱電機技法」第７５巻、第６号、２００１年、第４２１−４２４頁
【００１１】
セラミックス回路基板とベース板は、広い面積をはんだ接合するため、各部材の熱膨張差からくるひずみを受け易く、実使用下における温度上昇／温度下降の繰り返しを受けて、この部分の半田にクラックが発生することがあり、その結果、熱の伝導経路が遮断され、高発熱性電子部品の放熱が充分に行われずに、電子部品の温度上昇が起こり、熱的劣化が生じ、機能が停止してしまう、或いは電気的信頼性が低下するという問題が発生する。
【００１２】
また、車載用電子機器や電力制御機器の小型化、省スペ−ス化を進めていくと、発熱密度が高くなり、より高い放熱性が求められるようになるため、小型化、小スペース化、高い放熱性を実現するためのモジュール構造体や回路基板等が求められている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、小型化、小スペース化、さらには、高い放熱性を実現するために好適なモジュール構造体の製造方法、並びに、回路基板の固定方法、並びに、セラミックス回路基板を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、いろいろなモジュールについて、回路基板の構成、放熱面の構造、冷却方法について、さらに、各構成部材や組み上げ工程などのばらつき要因などについて検討した。その結果をもとに、各種構成についての有限要素法を用いた熱解析及び応力解析を行い、信頼性を評価した。これらの結果、信頼性が低下する問題のある、回路基板とベース板との広い面積のはんだ接合及びベース板をなくし、さらに放熱部材との密着性を高める工夫をすることで、放熱性及び信頼性が高く、コスト的にも有利なモジュール構造体を見出し、本発明に至ったものである。
【００１５】
さらに、本発明者は、上記知見に基づいて選抜されたいろいろなモジュール構造体の製造方法について実験的に検討し、特に、回路基板の固定方法並びにセラミックス回路基板の構造を変更し、モジュール構造体の回路上に接合したトランジスタの温度上昇を測定することで、トランジスタの温度上昇の小さいモジュール構造体を得て本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、本発明は、セラミックス回路基板を放熱部材に固定する方法であって、切り欠き部を有するセラミックス基板を用いて、セラミックス基板の切り欠き部を拡げる力を負荷した際に、前記切り欠き部が進展してセラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、各々の個別セラミックス回路基板と放熱部材とを密着させることを特徴とするセラミックス回路基板の放熱部材への固定方法である。
【００１７】
本発明は、セラミックス基板の放熱部材に接する面にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いることを特徴とする前記のセラミックス回路基板の放熱部材への固定方法である。
【００１８】
本発明は、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いることを特徴とする前記のセラミックス回路基板の放熱部材への固定方法である。
【００１９】
また、本発明は、セラミックス回路基板と、放熱部材と、前記セラミックス回路基板に搭載される半導体素子を覆いつつ前記放熱部材に固定されるモジュールキャップとからなるモジュール構造体の製造方法であって、セラミックス基板に切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いて、半導体素子を搭載したセラミックス回路基板を放熱部材に固定する際に、セラミックス基板の切り欠き部を拡げる力が負荷し、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、個別セラミックス回路基板と放熱部材とを密着させることを特徴とするモジュール構造体の製造方法である。
【００２０】
本発明は、セラミックス基板の放熱部材に接する面にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いることを特徴とする前記のモジュール構造体の製造方法である。
【００２１】
本発明は、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いることを特徴とする前記のモジュール構造体の製造方法である。
【００２２】
本発明は、前記モジュールキャップがセラミックス回路基板の切り欠き部を進展ならしめる突起を有することを特徴とする前記のモジュール構造体の製造方法である。
【００２３】
また、本発明は、セラミックス基板に切り欠き部を有するセラミックス回路基板で、放熱部材に固定する際に、前記切り欠き部を拡げる力が負荷すると、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、個別のセラミックス回路基板と放熱部材とが密着する切り欠き部を有していることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【００２４】
本発明は、セラミック基板の放熱部材に接する面側にのみ切り欠き部を有することを特徴とする前記のセラミックス回路基板である。
【００２５】
本発明は、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有することを特徴とする前記のセラミックス回路基板である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図をもって、本発明を詳細に説明する。
【００２７】
図１に、本発明のセラミックス回路基板を放熱部材に固定する方法の説明図を示す。本発明のセラミックス回路基板を放熱部材に固定する方法では、切り欠き部を有する、熱伝導性絶縁体であるセラミックス基板４の一主面上に、回路３を設け、他の一主面上（裏面）に金属板５を設けており、回路の所望部分に接合材２を介して発熱性電子部品１を搭載しているセラミックス回路基板を用いて、セラミックス基板の切り欠き部を拡げる力を負荷した際に、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とするとともに、各々の個別セラミックス回路基板と放熱部材７とを密着させることを特徴とするセラミックス回路基板の放熱部材への固定方法である。この方法によれば、個々のセラミックス回路基板を一度に放熱部材に密着させることができるので、生産性高く熱放散性に優れ電気的信頼性の高いモジュールを得ることができる。
【００２８】
また、本発明のセラミックス回路基板を放熱部材に固定する方法では、図１に示すようにセラミックス基板の放熱部材に接する面にのみ切り欠き部を有するセラミックス基板を用いても、図４に示すように切り欠き部が放熱部材に接しない面、すなわちセラミックス基板の回路側にあるセラミックス回路基板を用いても構わない。また、切り欠き部が、セラミックス基板の両面にあっても構わない。切り欠き部がセラミックス基板の放熱部材に接する面にのみ存在させるときは、個々のセラミックス基板と放熱部材との密着性が一層優れることから好ましいが、一方で、回路側にのみ切り欠きが存在させるときは、回路形成時に切り欠き部も併せて形成することができ高い生産性が達成できることから好ましい。
【００２９】
本発明では、本発明で用いるセラミックス回路基板が、放熱部材への固定時に進展して、複数の個別セラミックス回路基板となるような、切り欠き部を有することが重要であり、これにより、サイズの大きなセラミックス基板を用いて、複数の発熱性電子部品を実装するなど、製造時のハンドリングを容易ならしめ、なおかつ、個々の発熱性電子部品から発生する熱を、高い効率で放熱部材に放熱することが可能となる。尚、切り欠きの数については、一つであっても二つ以上の複数であっても構わないが、個々のセラミックス回路基板の数が多いほど本発明の効果が顕著となるし、またモジュールの生産性を向上できることから複数であることが好ましい。
【００３０】
更に、前記のセラミックス回路基板の放熱部材への固定方法では、セラミックス回路基板の金属板裏面と放熱部材との間に大きな熱抵抗となる空気を含まない様にするために、図１の６に対応する熱伝導性の高いグリースや接合後に固化する放熱シートを置くことができる。
【００３１】
また、前記のセラミックス基板の切り欠き部を拡げる力を負荷するには、様々な方法をとることができ、図２、図３、図４に、モジュールキャップを用いたモジュール構造体の製造方法を用いた断面図を示す。
【００３２】
本発明のモジュール構造体の製造方法は、図２及び図３に示すように、回路３、セラミックス基板４、金属板５からなるセラミックス回路基板と、放熱部材７と、前記セラミックス回路基板に接合材２を用いて搭載される半導体素子１を覆いつつ、前記放熱部材に固定されるモジュールキャップ８とからなるモジュール構造体の製造方法であって、セラミックス基板に切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いて、半導体素子を搭載したセラミックス回路基板を放熱部材に固定する際に、セラミックス基板の切り欠き部を拡げる力が負荷し、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、個別セラミックス回路基板と放熱部材とを密着させることを特徴とするモジュール構造体の製造方法である。
【００３３】
半導体素子を搭載したセラミックス回路基板を放熱部材に固定する際に、セラミックス基板の切り欠き部を拡げる力は、放熱部材に接する面にのみ、複数の切り欠き部を有するセラミックス基板を用いた場合には、図２、図３に示すように、前記のセラミックス回路基板の切り欠き部の裏面側に放熱部材へ向かう力を負荷すればい。
【００３４】
セラミックス回路基板のモジュールキャップと接する部分は、図２に示すように、セラミックスであっても構わないし、図３に示すように、金属回路と同様な金属板であっても構わない。図５は、図２に示されている回路基板の平面図である。図６は、図３に示されている回路基板の平面図である。
【００３５】
また、本発明のモジュール構造体の製造方法は、図４に示すように、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を用いて、セラミックス回路基板の切り欠き部を拡げる力を負荷した際に、前記切り欠き部が進展してセラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、各々の個別セラミックス回路基板と放熱部材とを密着させることを特徴とするモジュール構造体の製造方法である。
【００３６】
本発明のモジュール構造体の製造方法では、セラミックス回路基板の金属板裏面と放熱部材との密着性を高め、大きな熱抵抗となる空気を含まない様にするために、熱伝導性の高いグリースや接合後に固化する放熱シート６を置くことができる。
【００３７】
また、半導体素子、回路、電極は、必要に応じて、導電性ワイヤー１０で接合される。さらに、導電性ワイヤー等は、エポキシ樹脂やシリコーンゲルやシリコーン樹脂等に包埋される場合もある。
【００３８】
更に、モジュールキャップには、電極９を付加していても構わないが、セラミックス回路基板の回路側面から放熱部材に押圧可能な突起を有することが重要である。図２に示すように、モジュールキャップは一つの成形部品であっても構わないし、図３、図４に示すように複数の成形部品から構成されていても構わない。
【００３９】
接合材には、鉛錫はんだや鉛を含まない銀銅錫はんだや各種の導電性樹脂が用いられる。
【００４０】
接合材が導電樹脂の場合、エポキシ或いはアクリル等の樹脂に、金、銀、銅などの金属或いは黒鉛などの導電性材料を１種類含むものであっても、これら金属或いは黒鉛などの導電性材料を２種類以上含むものであっても構わない。
【００４１】
モジュールキャップは、鉄、アルミニウム、黄銅、銅等の金属からなる場合もあれば、熱硬化性の不飽和ポリエステル樹脂成形材料または、熱可塑性のＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等からなる場合もある。また、熱硬化性の不飽和ポリエステル樹脂成形材料または、熱可塑性のＰＢＴ等からなる各種樹脂成形ケース等に取り付けられる場合もあれば、樹脂ケースと一体成形される場合もある。
【００４２】
放熱部材の冷却は、自然対流でも、強制対流でも構わないし、冷却のための流体としては、空気のような気体でも水やエチレングリコールなどを含む液体でも構わない。
【００４３】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板に切り欠き部を有するセラミックス回路基板で、放熱部材に固定する際に、前記切り欠き部を拡げる力が負荷すると、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とし、個別のセラミックス回路基板と放熱部材とが密着する切り欠き部を有していることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【００４４】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミック基板の放熱部材に接する面側にのみ切り欠き部を有していても、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有していても構わないし、勿論、両面に複数の切り欠き部を有していても構わない。が、前述した通りに、切り欠き部をセラミックス基板の放熱板側のみ、或いは回路側のみとすることが効果と生産費用とのバランスから好ましく選択される。
【００４５】
図５、図６に、セラミック基板の放熱部材に接する面側にのみ切り欠き部を有する本発明のセラミックス回路基板の平面図を例示してある。当該セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板として放熱部材に固定するために、放熱部材に押圧する力が負荷される切り欠き部の放熱部材に面しない側は、図５に示すように、回路を構成する金属がなくセラミックス基板であっても構わないし、図６に示すように、回路を構成するのと同様な金属であっても構わない。
【００４６】
また、図７に、セラミックス基板の回路側にのみ切り欠き部を有するセラミックス回路基板を例示してある。
【００４７】
本発明のセラミック回路基板を構成するセラミックス基板としては、得られるセラミックス回路基板の熱放散性を良好とするために、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上のものが適しており、更に、セラミックス基板の曲げ強さについては、セラミックス回路基板の強さに影響することから、３５０ＭＰａ以上のものが好ましいため、該当するセラミックス基板としては、窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。
【００４８】
上記セラミックス基板の厚みについては、要求されるセラミックス回路基板の放熱特性、機械的性質、電気特性等により異なるが、通常０．２ｍｍ以上４．５ｍｍ以下が採用される。本発明においても、これら通常の厚さのものが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００４９】
セラミックス基板の切り欠き部のパターンは、回路パターンや電子部品の搭載位置等により自由に出来る。切り欠き部の深さは、セラミックス基板の材質にもよるが、セラミックス基板の厚みの３０％以上９５％以下が好ましく、５０％以上９０％以下が特に好ましい。セラミックス基板の厚みの３０％未満だと切り欠き部が充分に進展せず、セラミックス回路基板を複数の個別セラミックス回路基板とすることができない危険性があり、９５％を超えるとハンドリング性が低下するからである。また、切り欠き部の幅は、加工法によるが、５ｍｍ以下で充分な効果が得られる。
【００５０】
本発明のセラミックス回路基板に用いられる回路用金属及び金属板については、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属や前記金属を主成分とする合金、或いは前記金属或いは合金の接合したもの等が用いられ、その厚みは０．１〜３．０ｍｍが一般的である。尚、本発明においては金属回路と放熱用金属板とが同一である必要はないので、材質、厚さ、形状等の点で異なっていても構わない。
【００５１】
セラミック基板の切り欠き部は、セラミックスの焼結と同時に形成することもできるし、あらかじめレーザー加工や機械加工等の方法で形成しておくこともできるし、回路基板の作製中或いは後にレーザー加工や機械加工或いはエッチング等により形成することもできる。
【００５２】
回路用金属板及び放熱用金属板は、セラミックス基板と接合層を介して接合されているが、本発明の場合、該接合層はろう材ペーストを用いて形成されたものであっても、セラミックスと金属との共晶層により形成されたものであっても構わない。前記ろう材ペーストとしては、例えば金属回路又は放熱用金属板の材質が銅である場合には銅若しくは銅と銀を含むろう材であり、更に窒化物セラミックス基板の場合には、チタンなどの活性金属を含んだ前記ろう材が好ましく用いられる。
【００５３】
一方、共晶層を形成せしめる場合には、例えばセラミックス基板にアルミナを用い金属板に銅を用いるときには銅の酸化物が共晶層として選択される。
【００５４】
本発明のセラミックス回路基板の製法について、以下フルエッチ法での製法を例示し、詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５５】
まず、セラミックス基板の両面に、例えば銅と銀とを含むろう材ペーストを塗布し、次に、前記ろう材ペーストを覆うに充分な広さの放熱用金属板を置き、その上に前記セラミックス基板を置き、更に、回路用金属板を置き、荷重を負荷した状態で熱処理を行い金属板とセラミックス基板とを接合する。ここで、切り欠き部のあるセラミックス基板を用いてもよい。
【００５６】
前記荷重をかける方法については、上記操作において、金属とセラミックス基板との接合が行われれば良いので、治具を加熱と荷重に耐え得る材質とする方法、或いはホットプレスのように油圧或いは機械的な圧力をかける方法等のいずれの方法でも良い。しかし、前者の方法に於いて、治具が高密度で重しを兼ねることができるタングステンやモリブデン等の高融点金属で作成する方法が、荷重負荷に特別の装置を必要としないので安価に回路基板を製造できることから好ましい方法である。
【００５７】
上記で得た両面に金属板が接合したセラミックス基板（以下接合体という）について、金属板上にエッチングレジストを用いて回路パターンを印刷し、レジスト回路パターンを形成する。さらに、他方の面には、セラミック基板の切り欠き部に対応する部分や縁面を除きレジストパターンを形成する。
【００５８】
次いで、エッチング処理して、パターン外の不要な金属やろう材等を除去した後、エッチングレジストを除去して、回路および金属板を有するセラミックス回路基板とする。更に、金属回路の酸化と腐食を防止する等の目的で、必要に応じてニッケルメッキ等を行い金属回路上に保護膜を形成する。
【００５９】
切り欠き部のあるセラミックス基板を用いなかった場合は、レーザー加工或いはダイヤモンドブレードなどの機械加工により切り欠き部を形成する。
【００６０】
以下に実施例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。
【００６１】
【実施例】
〔実施例１〕
サイズ４０ｍｍ×１４０ｍｍ、厚み２．５ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の両面にチタンを活性金属として含む銀−銅系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、厚み０．３ｍｍの金属回路用銅板と厚み０．３ｍｍの放熱用銅板を接触配置するように載せる。これらを真空中８３０℃で３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得た。
【００６２】
次に、前記接合体の銅板上に紫外線硬化型エッチングレジストをスクリーン印刷法により３個所の回路パターン及び放熱金属板パターンに印刷し硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン外の不要な銅を除去した。次いで、フッ化水素アンモニウムと過酸化水素を含む水溶液に入れ、銅回路パターン間の不要ろう材を除去した後、レジストを除去した。更に、無電解ニッケルメッキにより銅回路に選択的にニッケル保護膜を形成させ、セラミック回路基板とした。
【００６３】
前記放熱金属板パターン間の窒素化アルミニウム基板に、YAGレーザー加工機を用いて、２個所の長さ４０ｍｍ、深さ２ｍｍ、開口部の幅１ｍｍの切り欠き部を形成した。
【００６４】
前記セラミック回路基板の回路各々にＴＯ２２０トランジスタをはんだ付けし、高熱伝導グリースを塗った５０ｍｍ×１５０ｍｍのアルミ製放熱フィンの上に載せ、更にその上から、鉄製のモジュールキャップと基板押えをＰＰＳ樹脂成形体と組み合わせたケースをかぶせて固定した。
【００６５】
〔実施例２〕
サイズ４０ｍｍ×１４０ｍｍ、厚み３ｍｍの窒化アルミニウム焼結体に、YAGレーザー加工機を用いて、２個所の長さ４０ｍｍ、深さ２ｍｍ、開口部の幅１ｍｍの切り欠き部を形成した。
【００６６】
前記窒化アルミニウム焼結体の両面にチタンを活性金属として含む銀−銅系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、厚み０．３ｍｍの金属回路用銅板と厚み０．３ｍｍの放熱用銅板を接触配置するように載せる。これらを真空中８３０℃で３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得た。
【００６７】
次に、前記接合体の銅板上に紫外線硬化型エッチングレジストをスクリーン印刷法により３個所の回路パターン、切り欠き部の反対側の面のモジュールキャップ突き当て部パターン及び放熱金属板パターンに印刷し硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン外の不要な銅を除去した。次いで、フッ化水素アンモニウムと過酸化水素を含む水溶液に入れ、銅回路パターン間の不要ろう材を除去した後、レジストを除去した。更に、無電解ニッケルメッキにより銅回路に選択的にニッケル保護膜を形成させ、セラミック回路基板とした。
【００６８】
前記セラミック回路基板の回路各々にＴＯ２２０トランジスタをはんだ付けし、高熱伝導グリースを塗った５０ｍｍ×１５０ｍｍのアルミ製放熱フィンの上に載せ、更にその上から、鉄製のモジュールキャップと基板押えをＰＰＳ樹脂成形体と組み合わせたケースをかぶせて固定した。
【００６９】
〔実施例３〕
サイズ４０ｍｍ×１４０ｍｍ、厚み３ｍｍの窒化アルミニウム焼結体に、２個所の長さ４０ｍｍ、深さ２ｍｍ、開口部の幅１ｍｍの切り欠き部を焼結時に形成した。
【００７０】
前記窒化アルミニウム焼結体の両面にチタンを活性金属として含むアルミニウム−シリコン−銅系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、厚み０．４ｍｍの金属回路用アルミニウム板と厚み０．４ｍｍの放熱用銅板を接触配置するように載せる。これらを真空中６３０℃で３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板とアルミニウム板の接合体を得た。
【００７１】
次に、前記接合体のアルミニウム板上に紫外線硬化型エッチングレジストをスクリーン印刷法により３個所の回路パターン及び放熱金属板パターンに印刷した。このとき、切り欠き部が回路側に来るようにした。紫外線硬化型エッチングレジストを硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン外の不要なアルミニウムを除去し、レジストを除去した。更に、無電解ニッケルメッキにより回路に選択的にニッケル保護膜を形成させ、セラミック回路基板とした。
【００７２】
前記セラミック回路基板の回路各々にＴＯ２２０トランジスタをはんだ付けし、高熱伝導グリースを塗った５０ｍｍ×１５０ｍｍのアルミ製放熱フィンの上に載せ、更にその上から、鉄製のモジュールキャップと基板押えをＰＰＳ樹脂成形体と組み合わせたケースをかぶせて固定した。
【００７３】
〔比較例１〕
サイズ４０ｍｍ×１４０ｍｍ、厚み２．５ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の両面にチタンを活性金属として含む銀−銅系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、厚み０．３ｍｍの金属回路用銅板と厚み０．３ｍｍの放熱用銅板を接触配置するように載せる。これらを真空中８３０℃で３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得た。
【００７４】
次に、前記接合体の銅板上に紫外線硬化型エッチングレジストをスクリーン印刷法により３個所の回路パターンに印刷し硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン外の不要な銅を除去した。次いで、フッ化水素アンモニウムと過酸化水素を含む水溶液に入れ、銅回路パターン間の不要ろう材を除去した後、レジストを除去した。更に、無電解ニッケルメッキにより銅回路に選択的にニッケル保護膜を形成させ、セラミック回路基板とした。
【００７５】
前記セラミック回路基板の回路各々にＴＯ２２０トランジスタをはんだ付けし、高熱伝導グリースを塗った５０ｍｍ×１５０ｍｍのアルミ製放熱フィンの上に載せ、更にその上から、鉄製の基板押えをＰＰＳ樹脂成形体と組み合わせたケースをかぶせて固定した。
【００７６】
以上のようにして、表１の実施例１、２、３、比較例１に示す窒化アルミニウム回路基板及びモジュール構造体を完成させた。実施例４、５、６及び比較例２の試料については、セラミックス基板として窒化珪素焼結体を用いた以外は前記に示した方法で試料を得た。
【００７７】
【表１】

【００７８】
これらの回路基板について熱抵抗評価試験を実施した。熱抵抗評価試験は、各モジュール構造体のアルミ製放熱フィンを水冷しながら、ＴＯ２２０トランジスタに通電することにより行った。熱抵抗の値は、ＴＯ２２０の温度上昇を通電電力で除して決めた。各モジュールの各ＴＯ２２０について熱抵抗を５回測定し平均を求め、結果を表１に示した。比較例１〜２の熱抵抗値は、０．４０Ｋ／Ｗを超えるものがあり、各ＴＯ２２０間のばらつきが大きいのに対し、実施例１〜６の熱抵抗は、各ＴＯ２２０間のばらつきが小さく、何れも０．４０Ｋ／Ｗ以下であり、本発明のものが高い放熱性を有し、優れていることが明瞭である。
【００７９】
実施例１〜６のモジュール構造体について、熱抵抗測定後、モジュールキャップをはずして確認したところ、前記切り欠き部が進展して、セラミックス回路基板が、複数の個別セラミックス回路基板となっていることが確認できた。
【００８０】
【発明の効果】
実施例、比較例で明らかなように、本発明のセラミックス回路基板及び、回路基板の固定方法及びモジュール構造体の製造方法になるモジュール構造体は、回路上に搭載された発熱性電子部品から発生する熱を効率よく放散するため、例えば、自動車等のエンジンルームのように、環境温度が高く厳しい場合にも高い放熱性を有し、半導体電子部品の性能を充分に発揮させるため、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板を放熱部材に固定する方法の説明図。
【図２】本発明に係るモジュール構造体の製造方法による固定後のモジュール構造体及び本発明のセラミックス回路基板の一例を示す断面図。
【図３】本発明に係るモジュール構造体の製造方法及び本発明のセラミックス回路基板の他の一例を示す断面図。
【図４】本発明に係るモジュール構造体の製造方法及び本発明のセラミックス回路基板のさらに他の一例を示す断面図。
【図５】本発明に係るセラミックス回路基板の一例を示す平面図。
【図６】本発明に係るセラミックス回路基板の他の一例を示す平面図。
【図７】本発明に係るセラミックス回路基板のさらに他の一例を示す平面図。
【符号の説明】
１発熱性電子部品
２接合材
３回路
４熱伝導性絶縁体（セラミックス基板）
５金属板
６放熱グリース或いは放熱シート
７放熱部材
８モジュールキャップ
９電極
１０導電性ワイヤー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a module on which a heat generating electronic component such as a semiconductor element is mounted, and more particularly to a method for manufacturing a module structure, a circuit board fixing method, and a ceramic suitable for the same. It relates to a circuit board.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a circuit board for mounting a highly exothermic electronic component, a ceramic circuit board in which a circuit is provided on a ceramic plate made of aluminum oxide, aluminum nitride, or silicon nitride and a metal plate is provided on the other surface has been used ( (See Patent Document 1 and Patent Document 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-163077 [0004]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-326949
Electronic components such as semiconductor elements are mounted on these circuit boards, combined with electrodes for transmitting power and signals, etc. to form a module, and used with electronic devices and power control devices together with heat dissipation members. (Refer nonpatent literature 1).
[0006]
[Non-Patent Document 1]
“Journal of the Institute of Electrical Engineers” Vol. 118, No. 5, 1998, pp. 274-277
On the other hand, with respect to in-vehicle electronic devices and power control devices, it is also demanded that the electronic devices be installed in the engine room along with miniaturization and space saving. The engine room has a severe environment such as a high temperature and a large temperature change, and a module having excellent heat dissipation is required. For such applications, the ceramic circuit board having excellent heat dissipation has attracted attention (see Non-Patent Document 2).
[0008]
[Non-Patent Document 2]
“Mitsubishi Electric Technique” Vol. 75, No. 6, 2001, pp. 409-412
Various electronic components are joined to the circuits of these circuit boards via solder, conductive resin, or the like. Furthermore, in order to efficiently dissipate heat of electronic components etc. to the outside, the metal plate provided on the other surface is made of a metal such as copper, various alloys containing them, or various metals via solder. In many cases, it is joined to a base plate made of a metal matrix composite made of ceramics. These are combined with an electrode to form a module, and the other surface of the base plate is joined and used via grease in order to improve the adhesion with a heat radiating member such as a heat radiating fin (non-patent document). 3).
[0010]
[Non-Patent Document 3]
“Mitsubishi Electric Technique” Vol. 75, No. 6, 2001, pp. 421-424
Since the ceramic circuit board and base plate are solder-bonded over a wide area, they are susceptible to distortions due to the difference in thermal expansion of each member. As a result, the heat conduction path is interrupted, the heat dissipation of the highly exothermic electronic component is not sufficiently performed, the temperature of the electronic component rises, the thermal deterioration occurs, and the function stops. Or the electrical reliability is lowered.
[0012]
In addition, as the in-vehicle electronic devices and power control devices become smaller and save space, the heat generation density becomes higher and higher heat dissipation is required. There is a demand for module structures, circuit boards, and the like for achieving high heat dissipation.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is suitable for realizing miniaturization, space reduction, and high heat dissipation, and a circuit board fixing method. In addition, an object of the present invention is to provide a ceramic circuit board.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The inventor has examined the configuration of the circuit board, the structure of the heat radiating surface, the cooling method, various factors such as the components and the assembly process for various modules. Based on the results, thermal analysis and stress analysis using the finite element method for various configurations were performed, and reliability was evaluated. As a result, there is a problem that the reliability is lowered. By eliminating the large area solder joint between the circuit board and the base plate and the base plate, and further improving the adhesion to the heat radiating member, heat dissipation and reliability are improved. The present inventors have found a module structure that has high performance and is advantageous in terms of cost, and has reached the present invention.
[0015]
Furthermore, the present inventor experimentally studied various manufacturing methods of module structures selected based on the above findings, and in particular, changed the circuit board fixing method and the structure of the ceramic circuit board to obtain a module structure. By measuring the temperature rise of the transistor bonded on the circuit, a module structure with a small temperature rise of the transistor was obtained, and the present invention was achieved.
[0016]
That is, the present invention is a method of fixing a ceramic circuit board to a heat radiating member, and when the ceramic substrate having a notch is loaded with a force for expanding the notch of the ceramic substrate, the notch Is a method of fixing a ceramic circuit board to a heat radiating member, wherein the ceramic circuit board is made into a plurality of individual ceramic circuit boards, and the individual ceramic circuit boards and the heat radiating member are brought into close contact with each other.
[0017]
The present invention is the above-described method for fixing a ceramic circuit board to a heat radiating member, which uses a ceramic circuit board having a notch only on the surface of the ceramic substrate that contacts the heat radiating member.
[0018]
The present invention is the above-described method for fixing a ceramic circuit board to a heat radiating member, characterized in that a ceramic circuit board having a notch on only the circuit side of the ceramic substrate is used.
[0019]
Further, the present invention is a method for manufacturing a module structure comprising a ceramic circuit board, a heat radiating member, and a module cap fixed to the heat radiating member while covering a semiconductor element mounted on the ceramic circuit board, When a ceramic circuit board having a notch in a ceramic substrate is used to fix a ceramic circuit board on which a semiconductor element is mounted to a heat dissipation member, a force is applied to expand the notch in the ceramic substrate, and the notch The present invention is a module structure manufacturing method characterized in that the ceramic circuit board is made into a plurality of individual ceramic circuit boards, and the individual ceramic circuit boards and the heat radiating member are brought into close contact with each other.
[0020]
The present invention is the above-described method for manufacturing a module structure, wherein a ceramic circuit board having a notch only on the surface of the ceramic substrate that contacts the heat radiating member is used.
[0021]
The present invention is the above-described method for manufacturing a module structure, wherein a ceramic circuit board having a notch only on the circuit side of the ceramic board is used.
[0022]
The present invention is the method of manufacturing a module structure according to the invention, wherein the module cap has a protrusion for extending the notch portion of the ceramic circuit board.
[0023]
In addition, the present invention provides a ceramic circuit board having a notch in a ceramic substrate, and when the force for expanding the notch is applied when the ceramic circuit board is fixed to a heat dissipation member, the notch develops and the ceramic circuit board The ceramic circuit board is characterized by having a plurality of individual ceramic circuit boards and having a notch portion where the individual ceramic circuit boards and the heat dissipation member are in close contact with each other.
[0024]
The present invention is the above-described ceramic circuit board, wherein the ceramic circuit board has a notch only on the surface side of the ceramic substrate that contacts the heat dissipation member.
[0025]
The present invention is the above-described ceramic circuit board having a notch portion only on the circuit side of the ceramic substrate.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is an explanatory view of a method for fixing a ceramic circuit board of the present invention to a heat radiating member. In the method of fixing the ceramic circuit board of the present invention to the heat dissipating member, the circuit 3 is provided on one main surface of the ceramic substrate 4 which is a thermally conductive insulator having a notch, and the other main surface ( A metal plate 5 is provided on the back surface, and a force is applied to expand the notch portion of the ceramic substrate using a ceramic circuit substrate on which a heat generating electronic component 1 is mounted via a bonding material 2 on a desired portion of the circuit. When the ceramic circuit board is formed, the cutout portion is developed to make the ceramic circuit board a plurality of individual ceramic circuit boards, and the individual ceramic circuit boards and the heat dissipation member 7 are brought into close contact with each other. It is the fixing method to a heat radiating member. According to this method, individual ceramic circuit boards can be brought into close contact with the heat radiating member at a time, so that a module with high productivity and excellent heat dissipation can be obtained.
[0028]
Further, in the method of fixing the ceramic circuit board of the present invention to the heat radiating member, as shown in FIG. 4, even if a ceramic substrate having a notch only on the surface of the ceramic substrate in contact with the heat radiating member as shown in FIG. Alternatively, a surface where the notch is not in contact with the heat dissipation member, that is, a ceramic circuit board on the circuit side of the ceramic substrate may be used. Further, the notch portions may be provided on both surfaces of the ceramic substrate. When the notch is present only on the surface of the ceramic substrate that contacts the heat radiating member, it is preferable because the adhesion between the individual ceramic substrate and the heat radiating member is further improved, but on the other hand, the notch is present only on the circuit side. In some cases, a notch can be formed at the time of circuit formation, and high productivity can be achieved.
[0029]
In the present invention, it is important that the ceramic circuit board used in the present invention has notches so that the ceramic circuit board develops when fixed to the heat dissipation member and becomes a plurality of individual ceramic circuit boards. Use a large ceramic substrate to mount multiple exothermic electronic components, simplify handling during manufacturing, and dissipate heat generated from individual exothermic electronic components to the heat dissipation member with high efficiency. Is possible. The number of notches may be one or a plurality of two or more, but the effect of the present invention becomes more remarkable as the number of individual ceramic circuit boards increases. It is preferable that the number is more than one because productivity can be improved.
[0030]
Further, in the above-described method of fixing the ceramic circuit board to the heat dissipation member, in order to prevent the air that causes a large thermal resistance between the back surface of the metal plate of the ceramic circuit board and the heat dissipation member, 6 in FIG. Corresponding high thermal conductivity grease and heat dissipation sheet that solidifies after bonding can be placed.
[0031]
In addition, various methods can be used to apply a force for expanding the notch portion of the ceramic substrate. FIGS. 2, 3, and 4 show a method for manufacturing a module structure using a module cap. The sectional view used is shown.
[0032]
As shown in FIGS. 2 and 3, the method for manufacturing a module structure of the present invention includes a ceramic circuit board comprising a circuit 3, a ceramic board 4, and a metal plate 5, a heat radiating member 7, and a bonding material to the ceramic circuit board. 2 is a method of manufacturing a module structure that includes a module cap 8 that covers the semiconductor element 1 mounted using the module 2 and is fixed to the heat dissipation member, and uses a ceramic circuit board having a notch in the ceramic substrate. When the ceramic circuit board on which the semiconductor element is mounted is fixed to the heat radiating member, a force is applied to expand the notch portion of the ceramic substrate, and the notch portion develops, so that the ceramic circuit board is divided into a plurality of individual ceramic circuit boards. A method for manufacturing a module structure, characterized in that an individual ceramic circuit board and a heat radiating member are brought into close contact with each other as a substrate A.
[0033]
When fixing a ceramic circuit board with a semiconductor element to a heat dissipation member, the force to expand the notch on the ceramic substrate is when a ceramic substrate with multiple notches is used only on the surface that contacts the heat dissipation member. As shown in FIGS. 2 and 3, a force toward the heat radiating member may be applied to the back surface side of the notch portion of the ceramic circuit board.
[0034]
The portion of the ceramic circuit board that contacts the module cap may be a ceramic as shown in FIG. 2, or may be a metal plate similar to a metal circuit as shown in FIG. FIG. 5 is a plan view of the circuit board shown in FIG. FIG. 6 is a plan view of the circuit board shown in FIG.
[0035]
In addition, as shown in FIG. 4, the method for manufacturing a module structure of the present invention uses a ceramic circuit board having a notch only on the circuit side of the ceramic substrate, and uses a force to expand the notch of the ceramic circuit board. When the load is applied, the cutout portion develops to make the ceramic circuit board into a plurality of individual ceramic circuit boards, and each individual ceramic circuit board and the heat dissipation member are brought into close contact with each other. is there.
[0036]
In the manufacturing method of the module structure of the present invention, in order to increase the adhesion between the back surface of the metal plate of the ceramic circuit board and the heat radiating member and not include air that has a large thermal resistance, A heat dissipation sheet 6 that solidifies after joining can be placed.
[0037]
Moreover, a semiconductor element, a circuit, and an electrode are joined with the electroconductive wire 10 as needed. Furthermore, a conductive wire or the like may be embedded in an epoxy resin, a silicone gel, a silicone resin, or the like.
[0038]
Furthermore, although the electrode 9 may be added to the module cap, it is important to have a protrusion that can be pressed against the heat dissipation member from the circuit side surface of the ceramic circuit board. As shown in FIG. 2, the module cap may be a single molded part, or may be composed of a plurality of molded parts as shown in FIGS.
[0039]
As the bonding material, lead-tin solder, silver-copper-tin solder not containing lead, and various conductive resins are used.
[0040]
When the bonding material is a conductive resin, even if the epoxy or acrylic resin contains one kind of conductive material such as metal such as gold, silver or copper, or graphite, conductive material such as these metal or graphite It may contain two or more types.
[0041]
The module cap may be made of a metal such as iron, aluminum, brass, or copper, or may be made of a thermosetting unsaturated polyester resin molding material, thermoplastic PBT (polybutylene terephthalate), or the like. Further, it may be attached to a thermosetting unsaturated polyester resin molding material, various resin molding cases made of thermoplastic PBT, or the like, or may be integrally molded with the resin case.
[0042]
The cooling of the heat dissipating member may be natural convection or forced convection, and the cooling fluid may be a gas such as air or a liquid containing water or ethylene glycol.
[0043]
The ceramic circuit board of the present invention is a ceramic circuit board having a notch portion in the ceramic substrate. When a force for expanding the notch portion is applied when the ceramic circuit substrate is fixed to the heat dissipation member, the notch portion develops and the ceramic circuit board is developed. The circuit board is a plurality of individual ceramic circuit boards, and has a cutout portion in which the individual ceramic circuit boards and the heat dissipation member are in close contact with each other.
[0044]
The ceramic circuit board of the present invention may have a cutout portion only on the surface side of the ceramic substrate in contact with the heat dissipation member, or may have a cutout portion only on the circuit side of the ceramic substrate. You may have a some notch part on both surfaces. However, as described above, it is preferably selected from the balance between the effect and the production cost that the notch is only on the side of the heat sink of the ceramic substrate or only on the circuit side.
[0045]
FIG. 5 and FIG. 6 illustrate plan views of the ceramic circuit board of the present invention having a notch only on the side of the ceramic substrate that contacts the heat dissipation member. In order to fix the ceramic circuit board as a plurality of individual ceramic circuit boards to the heat radiating member, the side not facing the heat radiating member of the notch portion to which a force pressing the heat radiating member is loaded is shown in FIG. The substrate may be a ceramic substrate without the metal constituting it, or may be the same metal as that constituting the circuit as shown in FIG.
[0046]
FIG. 7 illustrates a ceramic circuit board having a notch only on the circuit side of the ceramic board.
[0047]
As the ceramic substrate constituting the ceramic circuit board of the present invention, one having a thermal conductivity of 60 W / mK or more is suitable for improving the heat dissipation of the obtained ceramic circuit board. The bending strength is preferably 350 MPa or more because it affects the strength of the ceramic circuit board, and examples of the ceramic substrate include silicon nitride and aluminum nitride.
[0048]
The thickness of the ceramic substrate varies depending on the required heat dissipation characteristics, mechanical properties, electrical characteristics, etc. of the ceramic circuit board, but is usually 0.2 mm to 4.5 mm. In the present invention, those having a normal thickness are used, but are not limited thereto.
[0049]
The pattern of the cutout portion of the ceramic substrate can be freely determined by the circuit pattern, the mounting position of the electronic component, and the like. Although the depth of the notch depends on the material of the ceramic substrate, it is preferably 30% to 95%, particularly preferably 50% to 90% of the thickness of the ceramic substrate. If the thickness is less than 30% of the thickness of the ceramic substrate, the notched portion does not sufficiently develop, and there is a risk that the ceramic circuit substrate cannot be made into a plurality of individual ceramic circuit substrates. Because. Moreover, although the width of the notch portion depends on the processing method, a sufficient effect is obtained when it is 5 mm or less.
[0050]
As for the circuit metal and metal plate used in the ceramic circuit board of the present invention, a metal such as copper, nickel, aluminum, molybdenum, tungsten, an alloy containing the metal as a main component, or a metal or an alloy-bonded metal, etc. The thickness is generally 0.1 to 3.0 mm. In the present invention, the metal circuit and the metal plate for heat dissipation do not have to be the same, and may be different in terms of material, thickness, shape, and the like.
[0051]
The notch portion of the ceramic substrate can be formed simultaneously with the sintering of the ceramics, or can be formed in advance by a method such as laser processing or mechanical processing, or laser processing or It can also be formed by machining or etching.
[0052]
The metal plate for circuit and the metal plate for heat dissipation are bonded to the ceramic substrate through a bonding layer. In the case of the present invention, the bonding layer is formed of a brazing paste, It may be formed of a eutectic layer of metal and metal. The brazing material paste is, for example, a brazing material containing copper or copper and silver when the material of the metal circuit or the metal plate for heat dissipation is copper, and in the case of a nitride ceramic substrate, an active material such as titanium. The brazing material containing metal is preferably used.
[0053]
On the other hand, when the eutectic layer is formed, for example, when alumina is used for the ceramic substrate and copper is used for the metal plate, an oxide of copper is selected as the eutectic layer.
[0054]
The method for producing a ceramic circuit board according to the present invention will be described in detail below by exemplifying a method using a full etch method, but the present invention is not limited thereto.
[0055]
First, a brazing material paste containing, for example, copper and silver is applied to both surfaces of the ceramic substrate, and then a heat dissipating metal plate that is large enough to cover the brazing material paste is placed on the ceramic substrate. Further, a circuit metal plate is placed, and heat treatment is performed in a state where a load is applied, thereby joining the metal plate and the ceramic substrate. Here, a ceramic substrate having a notch may be used.
[0056]
As for the method of applying the load, it is sufficient that the metal and the ceramic substrate are joined in the above operation. Therefore, the jig is made of a material that can withstand the heating and the load, or the hydraulic or mechanical method such as hot pressing. Any method such as a method of applying an appropriate pressure may be used. However, in the former method, the jig is made of a high melting point metal such as tungsten or molybdenum whose weight can be used at high density. This is a preferable method because a substrate can be manufactured.
[0057]
About the ceramic substrate (henceforth a joined body) which the metal plate joined to both surfaces obtained above, a circuit pattern is printed on a metal plate using an etching resist, and a resist circuit pattern is formed. Further, a resist pattern is formed on the other surface except for a portion corresponding to the cutout portion of the ceramic substrate and an edge surface.
[0058]
Next, after performing an etching process to remove unnecessary metal and brazing material outside the pattern, the etching resist is removed to obtain a ceramic circuit board having a circuit and a metal plate. Further, for the purpose of preventing oxidation and corrosion of the metal circuit, nickel plating or the like is performed as necessary to form a protective film on the metal circuit.
[0059]
When a ceramic substrate having a notch is not used, the notch is formed by laser processing or mechanical processing such as a diamond blade.
[0060]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
[0061]
【Example】
[Example 1]
A silver-copper-based brazing paste containing titanium as an active metal is applied to both sides of an aluminum nitride sintered body having a size of 40 mm × 140 mm and a thickness of 2.5 mm by a screen printing method and dried, and then a metal circuit having a thickness of 0.3 mm A copper plate for heat radiation and a copper plate for heat dissipation having a thickness of 0.3 mm are placed in contact with each other. These were heat-treated in vacuum at 830 ° C. for 30 minutes to obtain a joined body of an aluminum nitride substrate and a copper plate.
[0062]
Next, an ultraviolet curable etching resist is printed on the copper plate of the joined body by screen printing on a circuit pattern and a heat radiating metal plate pattern at three locations and cured, and then unnecessary copper outside the pattern with a ferric chloride solution. Was removed. Next, the resist was removed after placing in an aqueous solution containing ammonium hydrogen fluoride and hydrogen peroxide to remove unnecessary brazing material between the copper circuit patterns. Further, a nickel protective film was selectively formed on the copper circuit by electroless nickel plating to obtain a ceramic circuit board.
[0063]
On the aluminum nitride substrate between the heat radiating metal plate patterns, a YAG laser processing machine was used to form notches with a length of 40 mm, a depth of 2 mm, and an opening width of 1 mm.
[0064]
Solder a TO220 transistor to each circuit on the ceramic circuit board and place it on a 50mm x 150mm aluminum heat radiation fin coated with high thermal conductivity grease. The case combined with the body was put on and fixed.
[0065]
[Example 2]
Using a YAG laser processing machine, notches with a length of 40 mm, a depth of 2 mm, and an opening width of 1 mm were formed on an aluminum nitride sintered body having a size of 40 mm × 140 mm and a thickness of 3 mm.
[0066]
A silver-copper brazing paste containing titanium as an active metal is applied to both surfaces of the aluminum nitride sintered body by a screen printing method and dried, and then a 0.3 mm thick copper plate for metal circuit and 0.3 mm thick heat dissipation Place the copper plate for contact. These were heat-treated in vacuum at 830 ° C. for 30 minutes to obtain a joined body of an aluminum nitride substrate and a copper plate.
[0067]
Next, an ultraviolet curable etching resist is printed on the copper plate of the joined body by screen printing on the circuit pattern at three locations, the module cap abutting portion pattern on the surface opposite to the notch portion, and the heat dissipation metal plate pattern and cured. Then, unnecessary copper outside the pattern was removed with a ferric chloride solution. Next, the resist was removed after placing in an aqueous solution containing ammonium hydrogen fluoride and hydrogen peroxide to remove unnecessary brazing material between the copper circuit patterns. Further, a nickel protective film was selectively formed on the copper circuit by electroless nickel plating to obtain a ceramic circuit board.
[0068]
Solder a TO220 transistor to each circuit on the ceramic circuit board and place it on a 50mm x 150mm aluminum heat radiation fin coated with high thermal conductivity grease. The case combined with the body was put on and fixed.
[0069]
Example 3
In an aluminum nitride sintered body having a size of 40 mm × 140 mm and a thickness of 3 mm, two notches having a length of 40 mm, a depth of 2 mm, and an opening width of 1 mm were formed during sintering.
[0070]
After applying an aluminum-silicon-copper-based brazing paste containing titanium as an active metal on both surfaces of the aluminum nitride sintered body by screen printing and drying, an aluminum plate for metal circuit having a thickness of 0.4 mm and a thickness of 0. A 4 mm heat radiating copper plate is placed in contact. These were heat-treated in vacuum at 630 ° C. for 30 minutes to obtain a joined body of an aluminum nitride substrate and an aluminum plate.
[0071]
Next, an ultraviolet curable etching resist was printed on the circuit board and the heat radiating metal plate pattern at three locations on the aluminum plate of the joined body by a screen printing method. At this time, the notch was made to come to the circuit side. After curing the UV curable etching resist, unnecessary aluminum outside the pattern was removed with a ferric chloride solution, and the resist was removed. Further, a nickel protective film was selectively formed on the circuit by electroless nickel plating to obtain a ceramic circuit board.
[0072]
Solder a TO220 transistor to each circuit on the ceramic circuit board and place it on a 50mm x 150mm aluminum heat radiation fin coated with high thermal conductivity grease. The case combined with the body was put on and fixed.
[0073]
[Comparative Example 1]
A silver-copper-based brazing paste containing titanium as an active metal is applied to both sides of an aluminum nitride sintered body having a size of 40 mm × 140 mm and a thickness of 2.5 mm by a screen printing method and dried, and then a metal circuit having a thickness of 0.3 mm A copper plate for heat radiation and a copper plate for heat dissipation having a thickness of 0.3 mm are placed in contact with each other. These were heat-treated in vacuum at 830 ° C. for 30 minutes to obtain a joined body of an aluminum nitride substrate and a copper plate.
[0074]
Next, an ultraviolet curable etching resist was printed on three circuit patterns by screen printing on the copper plate of the joined body and cured, and then unnecessary copper outside the pattern was removed with a ferric chloride solution. Next, the resist was removed after placing in an aqueous solution containing ammonium hydrogen fluoride and hydrogen peroxide to remove unnecessary brazing material between the copper circuit patterns. Further, a nickel protective film was selectively formed on the copper circuit by electroless nickel plating to obtain a ceramic circuit board.
[0075]
Solder a TO220 transistor to each circuit of the ceramic circuit board, place it on a 50mm x 150mm aluminum heat radiation fin coated with high thermal conductivity grease, and then combine an iron board holder with a PPS resin molding from above The case was covered and fixed.
[0076]
As described above, the aluminum nitride circuit board and the module structure shown in Examples 1, 2, and 3 and Comparative Example 1 in Table 1 were completed. For the samples of Examples 4, 5, 6 and Comparative Example 2, samples were obtained by the method described above except that a silicon nitride sintered body was used as the ceramic substrate.
[0077]
[Table 1]

[0078]
Thermal resistance evaluation tests were performed on these circuit boards. The thermal resistance evaluation test was performed by energizing the TO220 transistor while water cooling the aluminum radiating fins of each module structure. The value of the thermal resistance was determined by dividing the temperature rise of TO220 by the energizing power. The thermal resistance was measured five times for each TO220 of each module, the average was obtained, and the results are shown in Table 1. The thermal resistance values of Comparative Examples 1 and 2 exceed 0.40 K / W, and the variation between each TO 220 is large, whereas the thermal resistance of Examples 1 to 6 has a small variation between each TO 220. These are all 0.40 K / W or less, and it is clear that the present invention has high heat dissipation and is excellent.
[0079]
The module structures of Examples 1 to 6 were confirmed by removing the module cap after the thermal resistance measurement, and the notched portion was developed, and the ceramic circuit board became a plurality of individual ceramic circuit boards. Was confirmed.
[0080]
【The invention's effect】
As is apparent from the examples and comparative examples, the ceramic circuit board of the present invention, and the module structure that is the method of fixing the circuit board and the method of manufacturing the module structure are generated from heat-generating electronic components mounted on the circuit. In order to dissipate heat efficiently, for example, in engine rooms of automobiles, etc., it has high heat dissipation even in high environmental temperatures and severe conditions, and it is industrially useful to fully demonstrate the performance of semiconductor electronic components It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of a method for fixing a ceramic circuit board according to the present invention to a heat dissipating member.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a module structure after being fixed by the module structure manufacturing method according to the present invention and a ceramic circuit board according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the module structure manufacturing method according to the present invention and the ceramic circuit board according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing still another example of a method for manufacturing a module structure according to the present invention and a ceramic circuit board according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing an example of a ceramic circuit board according to the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing another example of the ceramic circuit board according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing still another example of the ceramic circuit board according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Heat-generating electronic component 2 Bonding material 3 Circuit 4 Thermally conductive insulator (ceramic substrate)
5 Metal plate 6 Heat radiation grease or heat radiation sheet 7 Heat radiation member 8 Module cap 9 Electrode 10 Conductive wire

Claims

A method for manufacturing a module structure comprising a ceramic circuit board, a heat radiating member, and a module cap that covers a semiconductor element mounted on the ceramic circuit board and is fixed to the heat radiating member. Ceramics with a semiconductor element mounted thereon using a ceramic circuit board having a notch on at least one of the contact surface and the circuit side of the ceramic substrate, and a module cap having a protrusion that advances the notch in the ceramic circuit board When fixing the circuit board to the heat radiating member, a force is applied to expand the notch portion of the ceramic substrate, and the notch portion develops, so that the ceramic circuit substrate becomes a plurality of individual ceramic circuit substrates, Modulation characterized by closely adhering to a heat dissipation member Method for producing Lumpur structure.