JP3840132B2

JP3840132B2 - Peltier device mounting circuit board

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Publication number: JP3840132B2
Application number: JP2002089437A
Authority: JP
Inventors: 信行伊藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003282796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板に関し、とりわけ温度制御用の電子冷熱モジュールに用いられるぺルチェ素子搭載用配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換素子であるペルチェ素子は、Ｐ型半導体からなるＰ型素子とＮ型半導体からなるＮ型素子とを交互に電気接続し、通電した場合にＰ型とＮ型素子との接合部分に生じるペルチェ効果といわれる冷却/発熱効果を発生する素子である。
【０００３】
このぺルチェ素子は、通常複数のＰ型素子およびＮ型素子を搭載した冷熱モジュールとして半導体装置等の冷却・温度制御に使用され、冷熱モジュール109は、図３に斜視図で示すように、複数個のＮ型素子101ＮおよびＰ型素子101Ｐを、絶縁基体102およびこの表面に形成された電極105から成る２枚１対のペルチェ素子搭載用配線基板108間に挟持することにより構成され、Ｎ型素子101ＮおよびＰ型素子101Ｐは、電極上に電気的に直列に、熱的に並列となるように、交互に並ぶ形で挟持される。
【０００４】
また、ペルチェ素子搭載用配線基板108は、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐの保持、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐ間の配線、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐと冷熱モジュール109に実装される半導体装置（図示せず）および放熱基板(図示せず)等との熱交換を担う。
【０００５】
さらに、ペルチェ素子搭載用配線基板108を構成する絶縁基体102には、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム質焼結体やアルミナ質焼結体等の磁器が用いられる。なお、絶縁基体102の熱抵抗を下げ冷熱モジュール109の熱交換効率を高めるために、絶縁基体102に用いる磁器においては、厚みの薄型化が可能で熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体の利用が増加している。
【０００６】
また、近年使用が増加している光エレクトロニクス半導体装置用の電子冷熱モジュールにおいて、冷熱モジュールに実装するレーザダイオード等は、発熱密度が高い上、レーザダイオード等を実装した冷熱モジュールを高さの制約がある気密性容器内に組み付ける必要がある。そのために、ペルチェ素子搭載用配線基板108の熱交換効率の高効率化・薄型化の要求は特に強く、最近では、絶縁基体102の厚みは0.5ｍｍ以下にすることが望まれている。
【０００７】
さらに、一般にペルチェ素子搭載用配線基板108の電極105は、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐの作動電流による電極105自体のジュール発熱による冷熱モジュール109の熱交換効率の低下を防ぎ、電極105の熱抵抗を低減させるため、銅・アルミニウムなどの高熱伝導率・高電気伝導率を持つ金属導体が用いられる。また、冷熱モジュール109の効率を向上させるためには、ペルチェ素子搭載用配線基板108間へのペルチェ素子101Ｎ・101Ｐの搭載は、ぺルチェ素子101Ｎ・101Ｐ間の間隔が狭いほど好ましい。その結果、ペルチェ素子搭載用配線基板108の電極105は、できるだけ狭い絶縁間隔で配置されることが求められている。そのために、微細な加工方法で電極105を形成するため、電極105の厚みを薄くする必要があり、高効率の冷熱モジュールでは、厚みは0.03〜0.１ｍｍの金属回路板が用いられている。
【０００８】
また、ペルチェ素子搭載用配線基板108の金属回路板を形成する方法としては、特開平3-263882号公報に開示されるような粗面化した磁器上に無電解銅めっき・電解銅めっきを組み合わせて形成するめっき法や、実開昭63-20465号公報に示されるＤＢＣ（Direct Bonding Copper）法で接合した銅層をフォトリソエッチング法によりパターニングする方法、モリブデン−マンガンまたは同時焼成されたタングステン等の焼成層から成るメタライズ層と、ニッケルめっき層からなるメタライズパターンを下地とし、接合部材であるはんだ層を介して金属回路板を接合する方法などが知られている。
【０００９】
特に、絶縁基体102として利用される窒化アルミニウム質焼結体上に厚み0.03〜0.１ｍｍの金属回路板を形成する場合には、電気抵抗・熱抵抗の低い下地や接合部材を使用しないめっき法、またはＤＢＣ法が用いられていた。
【００１０】
しかしながら、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐを用いた冷熱モジュール109は、その作動時において図４（ａ）に断面図で示すように、ぺルチェ素子101Ｎ・101Ｐを挟持する１対のペルチェ素子搭載用配線基板108は、そのいずれか一方は加熱、他方は冷却される。そのため、１対のペルチェ素子搭載用配線基板108間には、大きな温度差が生じ、熱膨張量の差から、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐと電極105との接合部、電極105と絶縁基体102との接合部に応力が発生する。一方、冷熱モジュール109を薄型化した場合には、図４（ｂ）に断面図で示すように１対のペルチェ素子搭載用配線基板108間の間隔が短くなるため、ペルチェ素子101Ｎ・101Ｐと電極105との接合部、電極105と絶縁基体102との接合部に発生する応力は、薄型化しない冷熱モジュールに比べ高いものとなる。
【００１１】
その結果、従来の電極形成技術である、めっき法やＤＢＣ法で作製されたペルチェ素子搭載用配線基板108では、絶縁基体102への電極105の接合強度が十分でなく長期の使用において電極105の剥離が生じるという問題があった。また、熱交換効率の高い窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体102を基板材料とした場合には、窒化アルミニウム質焼結体表面への金属の濡れ力が従来のアルミナ質焼結体を基板材料とした場合より小さいため、電極105の剥離は、より大きな欠点であった。
【００１２】
そこで、電気抵抗や熱抵抗の低い下地や接合部材を使用せずに、銅を電極として窒化アルミニウム質焼結体に金属回路板を強固に接合する方法として、活性金属ろう材を用いて接合する方法が知られており、電力制御用のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bi-polor Transistor）素子や、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)素子を搭載しインバータ等を構成するモジュール基板で使用されている。
【００１３】
しかしながら、活性金属ろう材による金属回路板の接合では、活性金属ろう材を溶融して接合する際に活性金属ろう材成分が銅中に拡散し易く、そのために厚みが0.03〜0.1ｍｍと薄い銅の電極を接合する場合、活性金属ろう材成分の拡散が容易に金属回路板の表面に達して、金属回路板の表面の酸化や表面へのめっき密着性の低下に伴う接合はんだの濡れ不良を引き起こし、搭載する各種素子との接合を阻害するという欠点があった。そこでこの欠点を解消するために、特開2001−339155号公報には、活性金属ろう材中に高融点金属フィラーを入れ、金属回路板との接合を改善する方法が開示されている
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2001−339155号公報に開示された活性金属ろう材中に高融点金属フィラーを添加する方法は、厚み制約のない金属回路板を接合する場合に隣接する金属回路板間の電気的短絡を抑制することを目的とした手法であり、従って、厚みが0.03〜0.1ｍｍと薄い銅を接合する際に必要な、電極銅板への活性金属ろう材成分の拡散の制御に対しては、粒径１〜10μｍ、添加量5〜20質量％とされたフィラーではその表面積が不足するため、活性金属ろう材成分の電極銅板への拡散を抑制することは困難であった。
【００１５】
本発明はこのような従来の問題点に鑑み完成されたもので、活性金属ろう材により金属回路板を接合する際に活性金属ろう材成分の金属回路板への拡散を制御し、厚さが0.03〜0.1ｍｍと薄い金属回路板を窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板に接合可能とすることにより、冷熱モジュールの薄型化に適した信頼性の高いペルチェ素子搭載用配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のペルチェ素子搭載用配線基板は、厚さが0.1〜0.5ｍｍの窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板の上面に、厚さが0.03〜0.1ｍｍの銅から成る金属回路板を活性金属ろう材層を介して取着して成り、この活性金属ろう材層は、銀−銅ろう材と、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物のうちの少なくとも一種とから成り、かつ内部に比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇで、活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の凝集体を５〜20体積％含有していることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のペルチェ素子搭載用配線基板によれば、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板と銅から成る金属回路板とを接合する活性金属ろう材層を、銀−銅ろう材と、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも一種とから成り、かつ内部に比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇで活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の凝集体を５〜20体積％含有して成るものとしたことから、絶縁基板と金属回路板との接合時に金属回路板に拡散する活性金属ろう材層中の活性金属成分が、接合される金属回路板の接触面積よりもはるかに表面積の大きい金属粉末の凝集体へ優先的に拡散し、金属回路板への活性金属ろう材成分の拡散量を制御することができ、その結果、高密度に配線を形成したペルチェ素子搭載用配線基板の薄型化に適する厚さ0.03〜0.1ｍｍの金属回路板を、活性金属ろう材成分の金属回路板表面への拡散による金属回路板の表面の酸化や表面へのめっき密着性の低下に起因したはんだ濡れ不良よる、搭載する各種素子との接合を阻害を伴なうことなく、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体に強固に接合することができ、熱交換特性に優れ、長期の使用にも耐え得る高い信頼性を有するペルチェ素子搭載用配線基板とすることが可能できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のペルチェ素子搭載用配線基板を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のペルチェ素子搭載用配線基板の実施の形態の一例を示す部分断面図であり、図２は、図１の要部拡大断面図である。これらの図において、１はペルチェ素子、２は絶縁基体、３ａ・３ｂは活性金属ろう材層、４は高融点金属粉末の凝集体、５は金属回路板であり、主にこれらで本発明のペルチェ素子搭載用配線基板８が構成される。
【００１９】
本発明のペルチェ素子搭載用配線基板８は、0.5ｍｍ以下の厚みを持つ窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２と、この一方の主面に活性金属ろう材層３ａを介して接合された厚み0.03〜0.1ｍｍの金属回路板５とから構成されている。
【００２０】
なお、絶縁基体２は、他方の主面に活性金属ろう材層３ａと同一の構成から成る活性金属ろう材層３ｂを介して接合した銅放熱板６を備える場合も有る。さらに、金属回路板５および銅放熱板６は、ペルチェ素子１の搭載および冷熱モジュールの実装に適するようにニッケルや金等のめっき皮膜７が施される場合も有る。
【００２１】
窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２は、金属回路板５を搭載する機能を有し、その厚みは0.1〜0.5ｍｍであり、厚みが0.1ｍｍ未満では絶縁基体２の強度が弱いものとなり、取り扱い等により破壊し易くなる傾向があり、0.5ｍｍを超えるとペルチェ素子搭載用配線基板８の小型化が困難と成る傾向にある。従って、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２は、その厚みを0.1〜0.5ｍｍとすることが重要である。また、絶縁基体２はペルチェ素子搭載用配線基板８の熱抵抗を小さくするため170Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つことが好ましい。
【００２２】
また、金属回路板５は銅板から成り、ペルチェ素子１間の電気的接続、およびペルチェ素子１と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する作用をなす。金属回路板５は、その厚みが0.03〜0.1ｍｍであり、厚みが0.03ｍｍ未満では、金属回路板５の電気抵抗が増加し、ペルチェ素子１の作動電流でジュール発熱し、ペルチェ素子搭載用基板８の熱交換効率が低下する傾向があり、0.1ｍｍを超えると、ペルチェ素子１を高密度で搭載するための金属回路板５の微細な加工が困難となる傾向がある。従って、銅板から成る金属回路板５は、その厚みを0.03〜0.1ｍｍとすることが重要である。
【００２３】
さらに、活性金属ろう材層３aは、銀−銅ろう材と、活性金属であるチタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも一種とから構成されており、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２と銅板から成る金属回路板５とを接合する作用をなす。
【００２４】
このような活性金属ろう材層３ａの厚みは、0.01ｍｍ程度が好ましく、0.005ｍｍ未満であると接合欠陥が生じ接合強度が低下し、0.02ｍｍを超えるとパターン間の短絡が発生しやすくなる。従って、活性金属ろう材層３ａの厚みは、0.005〜0.02ｍｍの範囲が好ましい
また、活性金属ろう材層３ａは、内部に比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇで活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の凝集体４を５〜20体積％含有している。凝集体４を構成する高融点金属粉末は、活性金属ろう材との濡れ性が良好な金属が好ましく、活性金属ろう材層３ａが銀−銅、チタンおよび／またはジルコニウムから成る場合は、モリブデンやタングステンあるいはこれらの化合物から成るものが適する。
【００２５】
このような活性金属ろう材層３ａは、例えば共晶合金から成る場合は、銀と銅がそれぞれ72質量％と28質量％含有されている共晶合金で形成されている。なお、ろう材粉末の粒径が１μｍ未満になると、ろう材粉末の比表面積が大きくなりすぎてろう材粉末表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在し、この酸素によって活性金属ろう材の絶縁基体２や金属回路板５に対する濡れ性が低下して、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２と金属回路板５との接合強度が低下してしまう危険性がある。従って、ろう材粉末はその粒径を１μｍ以上としておくことが好ましい。
【００２６】
比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇで活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の凝集体４は、活性金属ろう材層３aを窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２に強固に接着する作用をなす。
【００２７】
このような高融点金属粉末の凝集体４は、活性金属ろう材層３ａとの接触部分において、金属回路板５に比べ大きな表面積を持つことから金属回路板５への活性金属成分の拡散を制御する作用をなし、活性金属が接合される金属回路板５の接触面積よりもはるかに表面積の大きい金属粉末の凝集体４へ優先的に拡散し、金属回路板５への活性金属ろう材成分の拡散量を制御することができ、その結果、高密度に配線を形成したペルチェ素子搭載用配線基板８の薄型化に適する厚さ0.03〜0.1ｍｍの金属回路板５を、活性金属成分の金属回路板５の表面への拡散による金属回路板５の表面の酸化や表面へのめっき密着性の低下に起因したはんだ濡れ不良よる、搭載する各種素子との接合阻害を伴なうことなく、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２に強固に接合することができ、熱交換特性に優れ、長期の使用にも耐え得る高い信頼性を有するペルチェ素子搭載用配線基板８とすることが可能できる。
【００２８】
なお、活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の粒径は0.2〜５μｍであり、0.2μｍ未満であるとその比表面積が大き過ぎるものとなり粉末表面に形成される酸化皮膜中に含まれる酸素の量が多くなって、ろう材との濡れ性が低下する傾向にあり、５μｍを超えると後述するように数μｍ〜20μｍの凝集体４を良好に形成することが困難となる傾向がある。従って、活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の粒径は0.2〜５μｍであることが好ましい。
【００２９】
また、金属粉末の凝集体４は、金属粉末が数個から数百個凝集したものであり、凝集体４の大きさは縦・横の長さおよび高さがそれぞれ数μｍ〜20μｍ程度であり、縦・横の長さまたは高さが20μｍを超えると、絶縁基体２と金属回路板５との接合が不安定と成る傾向がある。
【００３０】
また、凝集体４はその比表面積が0.1ｍ²／ｇ未満となると、高融点金属粉末の凝集体４の表面積が少な過ぎるものとなり、金属回路板５への活性金属成分の拡散を制御する作用が低下してしまう危険性があり、２ｍ²／ｇを超えると、粉末表面に形成される酸化皮膜中の酸素量が増加し、この酸素によって高融点金属粉末の凝集体４のろう材に対する濡れ性が低下して、金属回路板５への活性金属ろう材成分の拡散を制御する作用が低下してしまう危険性がある。従って、高融点金属粉末の凝集体４は比表面積を0.1〜２ｍ²／ｇ、さらに好ましくは0.5〜２ｍ²／ｇとすることが好ましい。
【００３１】
なお、高融点金属粉末の凝集体４の添加量は、高融点金属粉末の凝集体４の比表面積により調整されるが、５体積％未満となると、金属回路板５への活性金属成分の拡散を制御する作用効果が低下し、ペルチェ素子搭載用配線基板８へのペルチェ素子１の搭載を阻害する危険性がある。また、20体積％を超えると窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２および金属回路板５に対する活性金属ろう材層３ａの接合面積が狭くなって、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２への金属回路板５のろう付け強度が低下してしまう傾向にある。従って、高融点金属粉末の凝集体４の添加量は５〜20体積％の範囲としておくことが好ましい。
【００３２】
このような高融点金属粉末の凝集体４は、高融点金属がたとえばモリブデンやタングステンの場合、酸化還元法で得られる粉末凝集体の大きな塊を、ロールミル等を用いて解砕、分級することにより製作される。
【００３３】
なお、金属粉末を凝集体として使用することにより、金属粉末を微粒子として使用する場合に較べて、金属粉末製造時の解砕工程における金属粉末表面の酸化を低減させることができ、その結果、金属粉末表面に形成される酸化物に含まれる酸素が活性金属に作用して、活性金属の窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２や銅から成る金属回路板５に対する濡れ性を大きく低下させることはなく、絶縁基体２と金属回路板とを良好に接合することができる。
【００３４】
次に、本発明のペルチェ素子搭載用配線基板の製造方法について説明する。
まず、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２と銅板から成る金属回路板５を準備する。窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２は、窒化アルミニウム質焼結体から成り、たとえば、窒化アルミニウム・酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー・可塑剤・溶剤を添加混合して泥漿状となすとともにこの混合物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、その後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、不活性雰囲気中で約1800℃の高温で焼成することによって製作される。
【００３５】
銅板から成る金属回路板５は、例えば、銅のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、厚さが0.03〜0.1ｍｍの所定形状に形成される。なお、銅板から成る金属回路板５は、これを無酸素銅で形成しておくと、ろう付けの際に銅の表面が銅の内部に存在する酸素により酸化されることがなく活性金属ろう材との濡れ性が良好となり、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２への活性金属ろう材層３ａを介しての接合が強固なものとなる。従って、銅板から成る金属回路板５は、これを無酸素銅で形成することが好ましい。
【００３６】
次に、ろう材ペーストを準備する。ろう材ペーストは、銀粉末および銅粉末または銀−銅合金粉末、あるいはこれらの混合粉末から成るろう材粉末、ならびにチタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種より成る活性金属ろう材粉末混合物に、融点が1200℃以上で、比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇ、好ましくは0.5〜２ｍ²／ｇである高融点金属粉末の凝集体を５〜20体積％加えた混合物に、適当な有機溶剤・溶媒・分散剤を添加混合し、混練することによって作製される。
【００３７】
次に、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２の上面にろう材ペーストを従来周知のスクリーン印刷技法を用いて、例えば、15〜30μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布し、所定パターンに印刷塗布されたろう材ペースト上に銅板から成る金属回路板５を載置する。
【００３８】
そして、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２と銅板から成る金属回路板５との間に配されているろう材ペーストを、銅板から成る金属回路板５に３〜10ｋＰａの荷重をかけながら非酸化性雰囲気中で約800℃に加熱し、ろう材ペーストの有機溶剤や溶媒・分散剤を気散させるとともに活性金属ろう材を溶融させて窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２の上面と銅板から成る金属回路板５の下面とに接合させることによって、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２の上面に銅板から成る金属回路板５が取着されることとなる。
【００３９】
なお、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２に銅板から成る金属回路板５を取着する際に、絶縁基体２の金属回路板５との反対側の表面に銅放熱板６を取着してもよい。
【００４０】
引き続いて、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２に取着された金属回路板５や銅放熱板６上にスクリーン印刷法またはドライフィルムレジスト等を用いたフォトリソ法により所望の電極形状に合わせたエッチングレジスト膜を形成する。
【００４１】
さらに、金属回路板５および銅放熱板６の不要部分をエッチング法を用いて除去後、レジストを剥離することにより、所望の形状の金属回路板５・銅放熱板６を得る。このようなエッチング法としては、銅のエッチングに広く用いられる塩化第二銅・塩化第二鉄を使用することが可能であり、レジストの除去にはエッチングレジスト膜のタイプにより、アルカリ水溶液や有機溶剤が用いられる。
【００４２】
また、金属回路板５・銅放熱板６の表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性およびはんだ濡れ性が良好なめっき皮膜７を被着させておくと、ペルチェ素子１を搭載し、冷熱モジュールを組み立てる工程や、冷熱モジュールに半導体装置等を組み付ける際の熱工程に対して、金属回路板５・銅放熱板６の酸化を防止することができる。ペルチェ素子搭載用配線基板８へのぺルチェ素子１等の実装に高温はんだ等を用いる場合には、ペルチェ素子搭載用配線基板８の耐熱性を高めるため、めっき皮膜７をニッケルと金の２層から構成する場合もある。その場合は、ニッケルめっきの後に置換金めっきまたは、還元金めっきを用いた無電解金を実施する。
【００４３】
かくして本発明のペルチェ素子搭載用配線基板によれば、金属回路板５を接合する銀−銅ろう材と活性金属とからなる活性金属ろう材層３ａ内部に、活性金属ろう材よりも高い融点を有し、比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇである高融点金属粉末の凝集体４を含有させることにより、接合時に金属回路板５に拡散していたろう材中の活性金属ろう材成分が接触面積に接合される電極よりも表面積の大きい高融点金属粉末の凝集体４へ拡散し、金属回路板５への活性金属ろう材成分の拡散量を制御することが可能となる。そのため、高密度な配線が可能で、ペルチェ素子搭載用配線基板８の薄型化に適する0.03〜0.1ｍｍの金属回路板５を、活性金属ろう材成分の電極表面への拡散によるペルチェ素子１と接合異常を伴なうことなく、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体２に強固に接合することができる。その結果、熱交換特性に優れ、長期の使用にも耐えうる高信頼性のペルチェ素子搭載用配線基板８を得ることが可能となる。
【００４４】
【実施例】
本発明のペルチェ素子搭載用配線基板を、以下のようにして評価した。先ず、ベースの活性金属ろう材として銀が70質量％、銅27質量％、チタンが３質量％含有されている活性金属ろう材を用い、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体と厚さ0.05mmの銅板から成る金属回路板とを接合した、図１に部分断面図に示すような評価用のペルチェ素子搭載用配線基板試料を製作した。なお、金属回路板の表面には、厚みが４μｍのニッケルめっきおよび厚みが0.2μｍの金めっきを施した。また、高融点金属の凝集体を含有させない活性金属ろう材を用いて製作したペルチェ素子搭載用配線基板試料を比較例とした。
【００４５】
評価用および比較用の試料にぺルチェ素子をＳｎ10％、Ｐｂ90％のはんだを用いて搭載し、ペルチェ素子の接合異常に対する評価として、ペルチェ素子のはんだ接合状態状態を超音波探傷装置にて観察し、全素子が素子面積の75％以上接合していることを基準に良否を判定した。
【００４６】
（実験１）
表１に示すように比表面積の異なる各種高融点金属粉末の凝集体を10体積％となるように添加した場合のペルチェ素子の接合異常に対する結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１からは、高融点金属粉末凝集体の比表面積については、0.1〜２ｍ²／ｇ、さらに好ましくは0.5〜２ｍ²／ｇの範囲でぺルチェ素子の良好な接合を得られることがわかった。
【００４９】
（実験２）
高融点金属をＭｏとした場合の高融点金属粉末凝集体の添加量のペルチェ素子の接合異常に対する結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
表２からは、高融点金属粉末凝集体の添加量については、５〜20体積％の範囲で接合以上が発生しないことが確認できた。
【００５２】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のペルチェ素子搭載用配線基板によれば、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基板と銅板から成る金属回路板とを接合する活性金属ろう材層を、銀−銅ろう材と、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも一種から成る活性金属とから成り、かつ内部に比表面積が0.1〜２ｍ²／ｇで活性金属の融点より高い融点を有する金属粉末の凝集体を５〜20体積％含有しているものとしたことから、接合時に金属回路板に拡散するろう材中の活性金属ろう材成分が、接合される金属回路板の接触面積よりもはるかに表面積の大きい金属粉末の凝集体へ優先的に拡散し、金属回路板への活性金属ろう材成分の拡散量を制御することができ、その結果、高密度に配線を形成したペルチェ素子搭載用配線基板の薄型化に適する厚さ0.03〜0.1ｍｍの金属回路板を、活性金属ろう材成分の金属回路板表面への拡散による金属回路板の表面の酸化や表面へのめっき密着性の低下に起因したはんだ濡れ不良よる、搭載する各種素子との接合を阻害を伴なうことなく、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体に強固に接合することができ、熱交換特性に優れ、長期の使用にも耐え得る高い信頼性を有するペルチェ素子搭載用配線基板とすることが可能できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のペルチェ素子搭載用配線基板の実施の形態の一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明のペルチェ素子搭載用配線基板の要部拡大断面図である。
【図３】ペルチェ素子搭載用配線基板を用いた冷熱モジュールの一例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ冷熱モジュール動作時の変形を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・ペルチェ素子
２・・・・・・・・絶縁基体
３ａ・３ｂ・・・・活性金属ろう材層
４・・・・・・・・高融点金属粉末の凝集体
５・・・・・・・・金属回路板
８・・・・・・・・ペルチェ素子搭載用配線基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board, and more particularly to a Peltier element mounting wiring board used in an electronic cooling module for temperature control.
[0002]
[Prior art]
A Peltier element, which is a thermoelectric conversion element, is generated at a junction between a P-type and an N-type element when a P-type element made of a P-type semiconductor and an N-type element made of an N-type semiconductor are alternately electrically connected and energized. It is an element that generates a cooling / heating effect called the Peltier effect.
[0003]
This Peltier element is usually used for cooling and temperature control of a semiconductor device or the like as a cooling / heating module equipped with a plurality of P-type elements and N-type elements. The cooling / heating module 109 includes a plurality of cooling / heating modules 109 as shown in a perspective view in FIG. An N-type element 101N and a P-type element 101P are sandwiched between a pair of Peltier element-mounting wiring boards 108 each made up of an insulating base 102 and an electrode 105 formed on the surface thereof. The elements 101N and the P-type elements 101P are sandwiched between the electrodes so as to be electrically in series and thermally in parallel.
[0004]
The Peltier element mounting wiring board 108 holds the Peltier elements 101N and 101P, wiring between the Peltier elements 101N and 101P, a semiconductor device (not shown) mounted on the Peltier elements 101N and 101P and the cooling / heating module 109, and heat dissipation. Responsible for heat exchange with a substrate (not shown).
[0005]
Further, for the insulating base 102 constituting the Peltier element mounting wiring board 108, a ceramic such as an aluminum nitride sintered body or an alumina sintered body having excellent thermal conductivity is used. In order to reduce the thermal resistance of the insulating substrate 102 and increase the heat exchange efficiency of the cooling / heating module 109, the ceramic used for the insulating substrate 102 can be made thinner and can be made of an aluminum nitride sintered body having a high thermal conductivity. Usage is increasing.
[0006]
In addition, in an electronic cooling module for optoelectronic semiconductor devices that has been increasingly used in recent years, the laser diode mounted on the cooling module has a high heat generation density, and the cooling module mounted with the laser diode has a height restriction. It needs to be assembled in an airtight container. For this reason, there is a strong demand for high efficiency and thinning of the heat exchange efficiency of the Peltier element mounting wiring board 108, and recently, the thickness of the insulating base 102 is desired to be 0.5 mm or less.
[0007]
Furthermore, in general, the electrode 105 of the wiring board 108 for mounting the Peltier element prevents a decrease in the heat exchange efficiency of the cooling module 109 due to Joule heat generation of the electrode 105 itself due to the operating current of the Peltier element 101N / 101P, and reduces the thermal resistance of the electrode 105 Therefore, a metal conductor having high thermal conductivity and high electrical conductivity such as copper and aluminum is used. In order to improve the efficiency of the cooling / heating module 109, it is preferable that the Peltier elements 101N and 101P be mounted between the Peltier element mounting wiring boards 108 as the distance between the Peltier elements 101N and 101P is narrow. As a result, the electrodes 105 of the Peltier element mounting wiring board 108 are required to be arranged with the smallest possible insulation interval. Therefore, in order to form the electrode 105 by a fine processing method, it is necessary to reduce the thickness of the electrode 105. In a highly efficient cooling / heating module, a metal circuit board having a thickness of 0.03 to 0.1 mm is used.
[0008]
Further, as a method of forming a metal circuit board of the Peltier element mounting wiring board 108, electroless copper plating / electrolytic copper plating is combined on a roughened porcelain as disclosed in JP-A-3-263882. Plating method formed by patterning, copper layer bonded by DBC (Direct Bonding Copper) method disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 63-20465, patterning by photolithography etching method, molybdenum-manganese or co-fired tungsten, etc. A method of joining a metal circuit board through a solder layer as a joining member using a metallized layer made of a fired layer and a metallized pattern made of a nickel plating layer as a base is known.
[0009]
In particular, when a metal circuit board having a thickness of 0.03 to 0.1 mm is formed on an aluminum nitride-based sintered body used as the insulating substrate 102, a plating method that does not use a base or a joining member having low electrical resistance and thermal resistance. Or the DBC method was used.
[0010]
However, the cooling / heat module 109 using the Peltier elements 101N and 101P has a pair of Peltier element mounting wiring boards that sandwich the Peltier elements 101N and 101P as shown in a sectional view in FIG. One of them is heated and the other is cooled. Therefore, a large temperature difference occurs between the pair of Peltier element mounting wiring boards 108, and due to the difference in thermal expansion amount, the junction between the Peltier elements 101N and 101P and the electrode 105, the electrode 105 and the insulating base 102 Stress is generated at the joint. On the other hand, when the cooling / heating module 109 is thinned, the distance between the pair of Peltier element mounting wiring boards 108 is shortened as shown in the cross-sectional view of FIG. The stress generated at the joint between 105 and the joint between the electrode 105 and the insulating base 102 is higher than that of a cooling module that is not thinned.
[0011]
As a result, in the Peltier device mounting wiring board 108 manufactured by the plating method or the DBC method, which is a conventional electrode forming technique, the bonding strength of the electrode 105 to the insulating base 102 is not sufficient, and the electrode 105 can be used in a long-term use. There was a problem that peeling occurred. In addition, when the insulating base 102 made of an aluminum nitride sintered body having high heat exchange efficiency is used as the substrate material, the wettability of the metal to the surface of the aluminum nitride sintered body becomes the substrate of the conventional alumina sintered body. Since it is smaller than the material, peeling of the electrode 105 was a greater drawback.
[0012]
Therefore, an active metal brazing material is used as a method of firmly joining a metal circuit board to an aluminum nitride sintered body using copper as an electrode without using a base or a joining member having a low electrical resistance or thermal resistance. The method is known, and is used in a module substrate that includes an IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistor) element for power control or a MOS (Metal Oxide Semiconductor) element to constitute an inverter or the like.
[0013]
However, in the joining of the metal circuit board by the active metal brazing material, the active metal brazing material component is easily diffused into the copper when the active metal brazing material is melted and joined, and therefore, the thin copper having a thickness of 0.03 to 0.1 mm. When joining these electrodes, the diffusion of the active metal brazing filler metal component easily reaches the surface of the metal circuit board, resulting in poor solder wetting due to oxidation of the surface of the metal circuit board and reduced plating adhesion to the surface. There was a fault that it caused it and obstructed joining with various elements to mount. Therefore, in order to eliminate this drawback, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-339155 discloses a method for improving the bonding with a metal circuit board by putting a refractory metal filler in an active metal brazing material.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of adding a refractory metal filler to the active metal brazing material disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-339155 is based on the electrical connection between adjacent metal circuit boards when joining metal circuit boards without thickness restrictions. It is a method aiming to suppress short circuit, and therefore, for controlling the diffusion of active metal brazing material components to the electrode copper plate, which is necessary when joining thin copper with a thickness of 0.03 to 0.1 mm, A filler having a particle size of 1 to 10 μm and an addition amount of 5 to 20% by mass has insufficient surface area, and it has been difficult to suppress diffusion of the active metal brazing filler metal component into the electrode copper plate.
[0015]
The present invention has been completed in view of such conventional problems. When joining a metal circuit board with an active metal brazing material, the diffusion of the active metal brazing material component to the metal circuit board is controlled, and the thickness is reduced. To provide a highly reliable Peltier device mounting wiring board suitable for thinning of a thermal module by enabling a metal circuit board as thin as 0.03 to 0.1 mm to be bonded to an insulating substrate made of an aluminum nitride sintered body. It is intended.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The wiring board for mounting a Peltier element according to the present invention has a metal circuit board made of copper having a thickness of 0.03 to 0.1 mm on an upper surface of an insulating substrate made of an aluminum nitride sintered body having a thickness of 0.1 to 0.5 mm. The active metal brazing layer is composed of a silver-copper brazing material and at least one of titanium, zirconium, hafnium, and hydrides thereof, and has an internal ratio. Surface area is 0.1-2m ² It is characterized by containing 5 to 20% by volume of an aggregate of metal powder having a melting point higher than that of the active metal at / g.
[0017]
According to the wiring board for mounting a Peltier element of the present invention, an active metal brazing material layer for joining an insulating substrate made of an aluminum nitride sintered body and a metal circuit board made of copper, a silver-copper brazing material, titanium, It consists of at least one of zirconium, hafnium and hydrides thereof, and has a specific surface area of 0.1 to 2 m inside. ² Because it contains 5 to 20% by volume of an aggregate of metal powder having a melting point higher than the melting point of the active metal at / g, the activity diffuses into the metal circuit board when the insulating substrate and the metal circuit board are joined. The active metal component in the metal brazing material layer preferentially diffuses into the aggregate of the metal powder having a surface area far larger than the contact area of the metal circuit board to be joined, and the active metal brazing material component to the metal circuit board The amount of diffusion can be controlled. As a result, a metal circuit board with a thickness of 0.03 to 0.1 mm suitable for thinning the wiring board for mounting Peltier elements on which high-density wiring is formed is used as the metal circuit of the active metal brazing material component. Aluminum nitride-based firing without hindering bonding with various mounted elements due to poor solder wetting caused by oxidation of the surface of the metal circuit board due to diffusion to the surface of the board or deterioration of plating adhesion to the surface. Insulating substrate consisting of ligation Solid to be joined, excellent thermal exchange properties, it can be a Peltier device mounting wiring board having high reliability that can withstand long-term use.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the Peltier device mounting wiring board of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of an embodiment of a Peltier element mounting wiring board according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG. In these figures, 1 is a Peltier element, 2 is an insulating substrate, 3a and 3b are active metal brazing filler metal layers, 4 is an aggregate of refractory metal powders, and 5 is a metal circuit board. A Peltier element mounting wiring board 8 is configured.
[0019]
The wiring board 8 for mounting a Peltier element of the present invention is joined to an insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body having a thickness of 0.5 mm or less, and this main surface is joined via an active metal brazing material layer 3a. And a metal circuit board 5 having a thickness of 0.03 to 0.1 mm.
[0020]
The insulating base 2 may be provided with a copper radiator plate 6 joined to the other main surface via an active metal brazing material layer 3b having the same configuration as the active metal brazing material layer 3a. Furthermore, the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6 may be provided with a plating film 7 such as nickel or gold so as to be suitable for mounting the Peltier element 1 and mounting a cooling / heating module.
[0021]
The insulating substrate 2 made of an aluminum nitride sintered body has a function of mounting the metal circuit board 5 and has a thickness of 0.1 to 0.5 mm. If the thickness is less than 0.1 mm, the strength of the insulating substrate 2 is weak. The Peltier element mounting wiring board 8 tends to be difficult to downsize when it exceeds 0.5 mm. Therefore, it is important that the insulating base 2 made of the aluminum nitride sintered body has a thickness of 0.1 to 0.5 mm. The insulating base 2 preferably has a thermal conductivity of 170 W / mK or more in order to reduce the thermal resistance of the Peltier element mounting wiring board 8.
[0022]
The metal circuit board 5 is made of a copper plate, and has an electrical connection between the Peltier elements 1 and an electrical connection between the Peltier elements 1 and an external electrical circuit (not shown). When the thickness of the metal circuit board 5 is 0.03 to 0.1 mm, and the thickness is less than 0.03 mm, the electrical resistance of the metal circuit board 5 increases, and Joule heat is generated by the operating current of the Peltier element 1, and the Peltier element mounting board The heat exchange efficiency of No. 8 tends to decrease, and if it exceeds 0.1 mm, it tends to be difficult to finely process the metal circuit board 5 for mounting the Peltier elements 1 at a high density. Therefore, it is important that the thickness of the metal circuit board 5 made of a copper plate is 0.03 to 0.1 mm.
[0023]
Further, the active metal brazing material layer 3a is composed of a silver-copper brazing material and at least one of titanium, zirconium, hafnium and hydrides thereof, which are active metals, and is an insulating material made of an aluminum nitride sintered body. The base 2 and the metal circuit board 5 made of a copper plate are joined.
[0024]
The thickness of the active metal brazing material layer 3a is preferably about 0.01 mm. If the thickness is less than 0.005 mm, a bonding defect occurs and the bonding strength decreases. If the thickness exceeds 0.02 mm, a short circuit between patterns tends to occur. Therefore, the thickness of the active metal brazing material layer 3a is preferably in the range of 0.005 to 0.02 mm.
The active metal brazing material layer 3a has a specific surface area of 0.1 to 2 m inside. ² 5 to 20% by volume of metal powder aggregate 4 having a melting point higher than the melting point of the active metal at / g. The refractory metal powder constituting the aggregate 4 is preferably a metal having good wettability with the active metal brazing material. When the active metal brazing material layer 3a is made of silver-copper, titanium and / or zirconium, molybdenum or Tungsten or those composed of these compounds are suitable.
[0025]
For example, when the active metal brazing material layer 3a is made of a eutectic alloy, it is formed of a eutectic alloy containing 72% by mass and 28% by mass of silver and copper, respectively. When the particle size of the brazing filler metal powder is less than 1 μm, the specific surface area of the brazing filler metal powder becomes too large and a large amount of oxygen is present in the oxide film formed on the surface of the brazing filler metal powder. There is a risk that the wettability of the material to the insulating base 2 and the metal circuit board 5 is lowered, and the bonding strength between the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body and the metal circuit board 5 is lowered. Therefore, it is preferable that the particle size of the brazing filler metal powder is 1 μm or more.
[0026]
Specific surface area is 0.1-2m ² Aggregate 4 of metal powder having a melting point higher than the melting point of the active metal at / g serves to firmly bond the active metal brazing material layer 3a to the insulating substrate 2 made of an aluminum nitride sintered body.
[0027]
Such a refractory metal powder aggregate 4 has a surface area larger than that of the metal circuit board 5 at the contact portion with the active metal brazing material layer 3a, so that diffusion of the active metal component to the metal circuit board 5 is controlled. The active metal is preferentially diffused into the aggregate 4 of the metal powder having a surface area far larger than the contact area of the metal circuit board 5 to which the active metal is bonded, and the active metal brazing material component of the metal circuit board 5 The amount of diffusion can be controlled. As a result, a metal circuit board 5 having a thickness of 0.03 to 0.1 mm suitable for thinning the wiring board 8 for mounting a Peltier element on which high-density wiring is formed is used as a metal circuit of an active metal component. Aluminum nitride without impeding bonding with various elements to be mounted due to poor solder wetting caused by oxidation of the surface of the metal circuit board 5 due to diffusion to the surface of the board 5 or deterioration of plating adhesion to the surface Made of sintered material It is possible to obtain a Peltier element mounting wiring board 8 that can be firmly bonded to the edge base 2, has excellent heat exchange characteristics, and has high reliability that can withstand long-term use.
[0028]
The particle size of the metal powder having a melting point higher than that of the active metal is 0.2 to 5 μm, and if it is less than 0.2 μm, the specific surface area becomes too large and oxygen contained in the oxide film formed on the powder surface. When the amount exceeds 5 μm, it tends to be difficult to satisfactorily form an aggregate 4 of several μm to 20 μm as described later. Therefore, the particle size of the metal powder having a melting point higher than that of the active metal is preferably 0.2 to 5 μm.
[0029]
The metal powder agglomerates 4 are agglomerates of several to hundreds of metal powders, and the agglomerates 4 are about several μm to 20 μm in length and width, respectively. When the vertical or horizontal length or height exceeds 20 μm, the bonding between the insulating substrate 2 and the metal circuit board 5 tends to be unstable.
[0030]
Aggregate 4 has a specific surface area of 0.1 m. ² If it is less than / g, the surface area of the aggregate 4 of the refractory metal powder becomes too small, and there is a risk that the effect of controlling the diffusion of the active metal component to the metal circuit board 5 is reduced. ² When the amount exceeds / g, the amount of oxygen in the oxide film formed on the powder surface increases, and this oxygen reduces the wettability of the aggregate 4 of the high melting point metal powder to the brazing material. There exists a danger that the effect | action which controls the spreading | diffusion of an active metal brazing filler metal component will fall. Therefore, the high melting point metal powder aggregate 4 has a specific surface area of 0.1 to 2 m. ² / G, more preferably 0.5-2m ² / G is preferable.
[0031]
The amount of the refractory metal powder aggregate 4 added is adjusted by the specific surface area of the refractory metal powder aggregate 4, but when it is less than 5% by volume, the active metal component diffuses into the metal circuit board 5. There is a risk that the effect of controlling the Peltier element is reduced and the mounting of the Peltier element 1 on the Peltier element mounting wiring board 8 is obstructed. On the other hand, if the volume exceeds 20% by volume, the bonding area of the active metal brazing material layer 3a to the insulating base 2 and the metal circuit board 5 made of the aluminum nitride sintered body becomes narrow, and the insulating base 2 made of the aluminum nitride sintered body. The brazing strength of the metal circuit board 5 tends to decrease. Therefore, the amount of the high melting point metal powder aggregate 4 added is preferably in the range of 5 to 20% by volume.
[0032]
Such a high melting point metal powder aggregate 4 is obtained by crushing and classifying a large lump of powder aggregate obtained by oxidation-reduction method using a roll mill or the like when the high melting point metal is, for example, molybdenum or tungsten. Produced.
[0033]
In addition, by using metal powder as an aggregate, compared with the case where metal powder is used as fine particles, oxidation of the metal powder surface in the crushing process during metal powder production can be reduced. Oxygen contained in the oxide formed on the powder surface acts on the active metal to greatly reduce the wettability of the active metal to the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body and the metal circuit board 5 made of copper. No, the insulating substrate 2 and the metal circuit board can be bonded satisfactorily.
[0034]
Next, the manufacturing method of the wiring board for Peltier device mounting of this invention is demonstrated.
First, an insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body and a metal circuit board 5 made of a copper plate are prepared. The insulating base body 2 made of an aluminum nitride sintered body is made of an aluminum nitride sintered body. For example, an appropriate organic binder, plasticizer, and solvent are added to and mixed with raw material powders such as aluminum nitride and yttrium oxide to form a slurry. The ceramic green sheet (ceramic green sheet) is obtained from this mixture by adopting a conventionally known doctor blade method or calender roll method, and then the ceramic green sheet is subjected to an appropriate punching process in an inert atmosphere. It is manufactured by firing at a high temperature of about 1800 ° C.
[0035]
The metal circuit board 5 made of a copper plate is formed into a predetermined shape having a thickness of 0.03 to 0.1 mm by applying a conventionally known metal processing method such as a rolling method or a punching method to a copper ingot (lumb), for example. Is done. When the metal circuit board 5 made of copper is formed of oxygen-free copper, the surface of the copper is not oxidized by oxygen present in the copper during brazing, and the active metal brazing material As a result, the wettability to the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body becomes strong and the bonding through the active metal brazing material layer 3a becomes strong. Therefore, the metal circuit board 5 made of a copper plate is preferably formed of oxygen-free copper.
[0036]
Next, a brazing paste is prepared. The brazing paste is made of silver powder and copper powder or silver-copper alloy powder, or a mixed powder thereof, and an active metal brazing powder made of at least one of titanium, zirconium, hafnium and hydrides thereof. The mixture has a melting point of 1200 ° C. or higher and a specific surface area of 0.1 to 2 m. ² / G, preferably 0.5-2m ² It is produced by adding and mixing an appropriate organic solvent / solvent / dispersant to a mixture obtained by adding 5 to 20% by volume of a high-melting-point metal powder aggregate / g.
[0037]
Next, a brazing paste is printed on the upper surface of the insulating base 2 made of an aluminum nitride-based sintered body by using a conventionally known screen printing technique, for example, to a predetermined pattern with a thickness of 15 to 30 μm. A metal circuit board 5 made of a copper plate is placed on the solder paste applied with printing.
[0038]
And while applying a load of 3 to 10 kPa to the metal circuit board 5 made of a copper plate, a brazing material paste disposed between the insulating base 2 made of the aluminum nitride sintered body and the metal circuit board 5 made of a copper plate is applied. The top surface of the insulating substrate 2 made of an aluminum nitride sintered body is heated to about 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to disperse the organic solvent, solvent and dispersant of the brazing filler metal paste and melt the active metal brazing filler metal. The metal circuit board 5 made of a copper plate is attached to the upper surface of the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body.
[0039]
When the metal circuit board 5 made of a copper plate is attached to the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body, the copper heat sink 6 is attached to the surface of the insulating base 2 opposite to the metal circuit board 5. May be.
[0040]
Subsequently, the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6 attached to the insulating base 2 made of an aluminum nitride sintered body are adjusted to a desired electrode shape by a screen printing method or a photolithography method using a dry film resist or the like. An etching resist film is formed.
[0041]
Furthermore, after removing unnecessary portions of the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6 using an etching method, the resist is peeled off to obtain the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6 having a desired shape. As such an etching method, it is possible to use cupric chloride / ferric chloride widely used for etching copper. For removing the resist, depending on the type of the etching resist film, an alkaline aqueous solution or an organic solvent can be used. Is used.
[0042]
Further, if a plating film 7 made of nickel, which has good conductivity, corrosion resistance and solder wettability, is deposited on the surface of the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6, the Peltier element 1 is mounted. The oxidation of the metal circuit board 5 and the copper heat sink 6 can be prevented with respect to the process of assembling the cooling / heating module and the heating process when assembling a semiconductor device or the like to the cooling / heating module. When high-temperature solder or the like is used for mounting the Peltier element 1 or the like on the Peltier element mounting wiring board 8, in order to increase the heat resistance of the Peltier element mounting wiring board 8, the plating film 7 is formed of two layers of nickel and gold. It may be composed of In that case, electroless gold using displacement gold plating or reduced gold plating is performed after nickel plating.
[0043]
Thus, according to the wiring board for mounting a Peltier element of the present invention, a melting point higher than that of the active metal brazing material is provided in the active metal brazing material layer 3a composed of the silver-copper brazing material and the active metal for joining the metal circuit board 5. Has a specific surface area of 0.1-2m ² / G of aggregate 4 of high melting point metal powder, the active metal brazing filler metal component diffused in the metal circuit board 5 at the time of joining has a larger surface area than the electrode joined to the contact area. It becomes possible to control the diffusion amount of the active metal brazing filler metal component to the metal circuit board 5 by diffusing into the aggregate 4 of the refractory metal powder. Therefore, high-density wiring is possible, and a 0.03-0.1 mm metal circuit board 5 suitable for thinning the Peltier element mounting wiring board 8 is joined to the Peltier element 1 by diffusion of the active metal brazing material component to the electrode surface. Without any abnormality, it can be firmly bonded to the insulating substrate 2 made of an aluminum nitride sintered body. As a result, it is possible to obtain a highly reliable Peltier element mounting wiring board 8 that has excellent heat exchange characteristics and can withstand long-term use.
[0044]
【Example】
The Peltier device mounting wiring board of the present invention was evaluated as follows. First, an active metal brazing material containing 70% by mass of silver, 27% by mass of copper, and 3% by mass of titanium is used as the base active metal brazing material, an insulating base made of an aluminum nitride sintered body, and a thickness of 0.05%. A Peltier device mounting wiring board sample for evaluation as shown in the partial cross-sectional view of FIG. The surface of the metal circuit board was subjected to nickel plating with a thickness of 4 μm and gold plating with a thickness of 0.2 μm. Further, a Peltier element mounting wiring board sample manufactured using an active metal brazing material not containing an aggregate of high melting point metal was used as a comparative example.
[0045]
A Peltier element is mounted on a sample for evaluation and comparison using a solder of Sn 10% and Pb 90%, and as an evaluation for a Peltier element bonding abnormality, the solder bonding state of the Peltier element is observed with an ultrasonic flaw detector. The quality was judged based on the fact that all elements were bonded to 75% or more of the element area.
[0046]
(Experiment 1)
As shown in Table 1, Table 1 shows the results for abnormal bonding of Peltier elements when aggregates of various refractory metal powders having different specific surface areas were added to 10% by volume.
[0047]
[Table 1]

[0048]
From Table 1, the specific surface area of the refractory metal powder aggregate is 0.1 to 2 m. ² / G, more preferably 0.5-2m ² It was found that good joining of the Peltier element can be obtained in the range of / g.
[0049]
(Experiment 2)
Table 2 shows the result of the addition amount of the refractory metal powder aggregate when the refractory metal is Mo to the bonding abnormality of the Peltier element.
[0050]
[Table 2]

[0051]
From Table 2, it was confirmed that the addition amount of the refractory metal powder aggregates did not cause bonding or more in the range of 5 to 20% by volume.
[0052]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is the range which does not deviate from the meaning of this invention.
[0053]
【The invention's effect】
According to the wiring board for mounting a Peltier element of the present invention, an active metal brazing material layer for joining an insulating substrate made of an aluminum nitride sintered body and a metal circuit board made of a copper plate, a silver-copper brazing material, titanium, It consists of an active metal consisting of at least one of zirconium, hafnium and hydrides thereof, and has a specific surface area of 0.1 to 2 m inside. ² Active metal brazing material component in the brazing material that diffuses into the metal circuit board at the time of joining since it contains 5-20% by volume of an aggregate of metal powder having a melting point higher than the melting point of the active metal at / g Is preferentially diffused into an aggregate of metal powder having a surface area far larger than the contact area of the metal circuit board to be joined, and the amount of diffusion of the active metal brazing material component into the metal circuit board can be controlled, As a result, a metal circuit board having a thickness of 0.03 to 0.1 mm suitable for thinning a wiring board for mounting a Peltier element on which high-density wiring is formed is obtained by diffusing an active metal brazing material component onto the surface of the metal circuit board. Solidly insulative base made of aluminum nitride sintered body without hindering bonding with various mounted elements due to poor solder wetting due to surface oxidation and reduced plating adhesion to the surface Can be joined and heat Excellent 換特 properties, it can be a Peltier device mounting wiring board having high reliability that can withstand long-term use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of an embodiment of a wiring board for mounting a Peltier element of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a Peltier device mounting wiring board according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a cooling / heating module using a wiring board for mounting a Peltier element.
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing deformation during operation of the cooling / heating module, respectively.
[Explanation of symbols]
1 ... Peltier element
2 ... Insulating substrate
3a · 3b · · · active metal brazing material layer
4 ... Agglomerates of refractory metal powder
5 ... Metal circuit board
8 .... Peltier device mounting wiring board

Claims

A metal circuit board made of copper having a thickness of 0.03 to 0.1 mm is placed on an upper surface of an insulating substrate made of an aluminum nitride sintered body having a thickness of 0.1 to 0.5 mm with an active metal brazing material layer interposed therebetween. The active metal brazing material layer is composed of a silver-copper brazing material and at least one of titanium, zirconium, hafnium and hydrides thereof, and has a specific surface area of 0.1 inside. A Peltier device mounting wiring board comprising 5 to 20% by volume of an aggregate of metal powder having a melting point higher than that of the active metal at ˜2 m ² / g.