JP6185353B2 - Circuit board and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、回路基板と、その製造方法に関するものである。 The present invention relates to a circuit board and a manufacturing method thereof.
パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばIGBT(Insulated Gate
Bipolar Transistor)などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる回路基板とし
て、セラミック基板に例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板がAgを含むろう材で接合されたものが用いられる。電子部品は、金属板に搭載され、例えばボンディングワイヤによって他の金属板に電気的に接続される。金属板としては、電気抵抗(抵抗率)が小さい銅またはアルミニウムを主成分とした箔が用いられている。
Power module or switching module, eg IGBT (Insulated Gate)
As a circuit board used in an electronic device on which an electronic component such as a bipolar transistor is mounted, a ceramic board in which a metal plate made of, for example, copper or aluminum is joined with a brazing material containing Ag is used. The electronic component is mounted on a metal plate and is electrically connected to another metal plate by, for example, a bonding wire. As the metal plate, a foil mainly composed of copper or aluminum having a small electric resistance (resistivity) is used.
しかしながら、上記従来技術の回路基板においては、金属板に搭載された電子部品から熱が発生した場合に、絶縁基体と、この絶縁基体の主面に接合された金属板との熱膨張係数の差に起因した熱応力によって、絶縁基体から金属板が剥離したり絶縁基体にクラックが生じる可能性があるという問題点があった。 However, in the prior art circuit board, when heat is generated from the electronic component mounted on the metal plate, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating base and the metal plate joined to the main surface of the insulating base. There is a problem that the metal plate may be peeled off from the insulating substrate or a crack may be generated in the insulating substrate due to thermal stress caused by the above.
本発明の目的は、前記の問題を鑑みて、金属板と絶縁基体との間における熱応力を軽減し、金属板の絶縁基体からの剥離や絶縁基体のクラックを防止する信頼性の高い回路基板を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable circuit board that reduces thermal stress between a metal plate and an insulating substrate and prevents peeling of the metal plate from the insulating substrate and cracking of the insulating substrate. Is to provide.
本発明の一つの態様の回路基板は、絶縁基体と、該絶縁基体の主面に、銀成分を含有するろう材を介して接合されている、銅粒子が焼結されて成る金属板と、を有しており、前記金属板において、前記銅粒子の粒界に、前記ろう材中から拡散した前記銀成分が充填されており、前記ろう材側の前記銅粒子の粒径は、前記金属板の表層側の前記銅粒子の粒径より小さい。
A circuit board according to one aspect of the present invention includes an insulating base, a metal plate formed by sintering copper particles, bonded to the main surface of the insulating base via a brazing material containing a silver component, In the metal plate, the grain boundaries of the copper particles are filled with the silver component diffused from the brazing material, and the particle size of the copper particles on the brazing material side is the metal It is smaller than the particle size of the copper particles on the surface layer side of the plate .
本発明の一つの態様による回路基板によれば、金属板において、銅粒子の粒界に、ろう材中から拡散した銀成分が充填されているので、銅粒子よりヤング率の低い銀成分が金属板全体のヤング率を下げる効果を持つことから、金属板および絶縁基体の熱応力が緩和されやすくなる。また、金属板において、熱応力が最も大きくかかるろう材側で、銅粒子の粒径が小さく銀成分の量が大きいのでヤング率を小さくすることができ、熱応力を低減させることができる。
According to the circuit board according to one aspect of the present invention, in the metal plate, since the silver component diffused from the brazing material is filled in the grain boundaries of the copper particles, the silver component having a lower Young's modulus than the copper particles is a metal. Since it has an effect of lowering the Young's modulus of the entire plate, the thermal stress of the metal plate and the insulating base is easily relaxed. Also, in the metal plate, the Young's modulus can be reduced because the particle size of the copper particles is small and the amount of the silver component is large on the brazing material side where the greatest thermal stress is applied, and the thermal stress can be reduced.
以下、図面を参照して本発明の実施形態における回路基板について説明する。なお、図面において、回路基板は、仮想のxyz空間内に設けられており、xy平面上に載置されている。また、本実施形態における上方、上面、上部とは仮想のz軸の正方向を示しており、下方、下面、下部とは仮想のz軸の負方向を示している。 Hereinafter, a circuit board according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the circuit board is provided in a virtual xyz space and placed on the xy plane. In the present embodiment, the upper, upper, and upper portions indicate the positive direction of the virtual z axis, and the lower, lower surface, and lower portion indicate the negative direction of the virtual z axis.
図1に示す例においては、回路基板10は、絶縁基体11と、金属板2とを備えている。絶縁基体11の主面に、金属板2がろう材1で接合されている。
In the example shown in FIG. 1, the circuit board 10 includes an
絶縁基体11は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス,ムライト質セラミックス,炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。
The
絶縁基体11が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい金属板2を用いたとしても絶縁基体11にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる回路基板を実現することができる。
When the
絶縁基体11の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1mm〜1mmであ
り、回路基板10の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。
The thinner
絶縁基体11は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素,酸化アルミニウム,酸化マグネシウム,および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー,可塑剤,および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工等を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。
If the
図1、2に示すように、金属板2は、絶縁基体11の主面に、銀成分を含有するろう材1を介して接合されており、銅ペーストの銅粒子が焼結されて成る。金属板2は、絶縁基体11の主面に、ろう材1となるろう材ペースト、金属板2となる銅ペーストを順次スクリーン印刷をした後、焼成することにより得られる。製造方法の詳細は後述する。金属板2の材料として銅が使用されているので、低電気抵抗および高熱伝導性に優れる。特に、高熱伝導性に関しては、銅は熱伝導率が約395W/m・Kであるため優れている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
銅ペーストは、主成分となる銅粉末にアクリル樹脂やニトロセルロース樹脂等の有機バインダー、テルピネオールやDBP等の有機溶剤、必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、プラネタリーミキサー等の混練手段により均質混合および混練
することで調整する。真空炉中の400℃以下の雰囲気で脱バインダーできることが望ましいため、通常はバインダとしてアクリル樹脂を用いる。
Copper paste is a ball mill, three-roll mill, planetary mixer with copper powder as the main ingredient, organic binders such as acrylic resin and nitrocellulose resin, organic solvents such as terpineol and DBP, and dispersants as necessary. It adjusts by carrying out homogeneous mixing and kneading | mixing by kneading | mixing means. Since it is desirable that the binder can be removed in an atmosphere of 400 ° C. or lower in a vacuum furnace, an acrylic resin is usually used as a binder.
銅粉末は、できるだけ緻密な焼結体を得るためと早く焼結を進行させるため、アトマイズ法で球状にした微細粉末が望ましく、平均粒径0.1μm〜10μm程度の粒径が好適に用いられる。 The copper powder is preferably a fine powder made spherical by an atomization method in order to obtain a sintered body as dense as possible and to advance the sintering as quickly as possible, and a particle diameter of about 0.1 μm to 10 μm is preferably used. .
また有機バインダーや有機溶剤の種類や添加量を少なくし、一般的な配線導体層用のメタライズペーストよりも放熱用金属板の成形に適した高い粘度に調整してもよい。金属板2の厚みは5〜300μm程度あれば効率的な放熱が可能である。
Moreover, the kind and addition amount of the organic binder and the organic solvent may be reduced, and the viscosity may be adjusted to be higher than that of a general metallized paste for a wiring conductor layer. If the thickness of the
図1、2に示すように、金属板2の絶縁基体11の主面への接合は、ろう材1が用いられる。ろう材1は、銀成分を含有する。ろう材1は、前述したように、絶縁基体11の主面に、ろう材1となるろう材ペースト、金属板2となる銅ペーストを順次スクリーン印刷をした後、焼成することにより得られる。この焼成中に、銅粒子が焼結して金属板2が形成され、ろう材1となるろう材ペースト中の銀成分が銅ペースト側へ拡散するとともに金属板2が、ろう材1を介して絶縁基体11に接合される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a brazing material 1 is used for joining the
よって、焼成後には、図3に示すように、金属板2において、銅粒子3の粒界に、ろう材1中から拡散した銀成分5が充填されこととなる。この構成により、銅粒子3よりヤング率の低い銀成分5が金属板2全体のヤング率を下げる効果を持つことから、金属板2および絶縁基体11の熱応力が緩和されやすくなる。また、銅粒子3の粒界に銀成分5が充填されていることにより、金属板2の熱伝導率が向上し、熱応力の発生を抑制することができる。
Therefore, after firing, as shown in FIG. 3, the
ろう材1となるろう材ペーストに含まれる銀粉末は、拡散しやすくするためアトマイズ法により粒状化された微細粉末が望ましく、平均粒径は0.1μm〜10μmが好適である。 The silver powder contained in the brazing material paste used as the brazing material 1 is preferably a fine powder granulated by an atomizing method in order to facilitate diffusion, and the average particle size is preferably 0.1 μm to 10 μm.
ろう材1の厚みは、例えば約5〜100μm程度あればよい。また、ろう材1は、銀成分
の他に融点を下げるために、例えば、スズ、インジウムの一種類以上を含み、1〜20質量%程度の他の金属材料、または金属板2の成分を含有していても構わない。
The thickness of the brazing material 1 may be about 5 to 100 μm, for example. Moreover, in order to lower melting | fusing point other than a silver component, the brazing material 1 contains one or more types of tin and indium, for example, and contains the other metal material of about 1-20 mass%, or the component of the
スズ、インジウムを添加してろう材1の融点は、例えば520〜650℃あるいは750〜850℃程度に調整される。ろう材1の融点を下げることで、焼成中にろう材1から銀成分が銅ペースト側へ拡散しやすくなる。その結果、拡散した銀成分が銅粒子の界面に充填される。 The melting point of the brazing filler metal 1 is adjusted to, for example, about 520 to 650 ° C. or about 750 to 850 ° C. by adding tin and indium. Lowering the melting point of the brazing material 1 makes it easier for the silver component to diffuse from the brazing material 1 to the copper paste side during firing. As a result, the diffused silver component is filled in the interface of the copper particles.
また、ろう材1は、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも1種の金属材料をさらに含有する。活性金属材料であるチタン等の金属材料によって、ろう材1は、金属板2を絶縁基体11に対して強固に接合させることができる。
The brazing material 1 further contains at least one metal material of titanium, hafnium and zirconium. The brazing material 1 can firmly bond the
ろう材1の組成の例としては、銅が15〜70質量%、銀が20〜65質量%、チタンが1〜20質量%およびインジウムが1〜5質量%程度である。より具体的な例としては、銅が69質量%、銀が27質量%、チタンが1質量%、およびインジウムが3質量%のものが挙げられる。 As an example of the composition of the brazing filler metal 1, copper is 15 to 70 mass%, silver is 20 to 65 mass%, titanium is 1 to 20 mass%, and indium is about 1 to 5 mass%. More specific examples include 69% by mass of copper, 27% by mass of silver, 1% by mass of titanium, and 3% by mass of indium.
拡散した銀成分5には、ろう材1のペーストに添加したスズ、インジウムが混じっていても良い。銀成分5にスズ、インジウムが混じって合金化しても、銀成分本来のヤング率と大きく変わらない。
The diffused
また、図4に示す例のように、銅粒子3の表面と、銅粒子3の粒界に充填された銀成分5との間には銀−銅合金層6が設けられていることが好ましい。合金化していない銅粒子3よりも銀−銅合金層6は降伏応力が小さくなるため、熱サイクル時に金属板2中の残留応力が低減し、金属板2による絶縁基体11への応力も弱まる。
Moreover, it is preferable that the silver-
金属板2は、回路導体に限らず、回路基板10に搭載される電子部品のマウント用の金属部材、接地導体用の金属部材または放熱板等としても用いることができる。また、このように、金属板2は、例えば数十A程度の比較的大きな電流を通電するための導電路、または放熱材として、セラミックス等からなる絶縁基体11に接合されて用いられる。
The
次に、本発明の回路基板10の製造方法について説明する。なお、ここでは、図1に示す例の回路基板10の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the circuit board 10 of the present invention will be described. Here, a method for manufacturing the circuit board 10 of the example shown in FIG. 1 will be described.
(1)絶縁基体11は前述の方法で、窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて約1600〜2000℃の温度で焼成されて製作される。
(1) The insulating
(2)絶縁基体11上にペースト状のろう材1を印刷した後、ろう材1のペーストの上に重ねてスクリーン印刷法により銅ペーストを所望のパターニングで印刷する。ろう材1のペーストと銅ペーストの印刷マスクは同じ形状の物を用いる。金属板2と絶縁基体11とを接合するためのろう材1としては、例えば、融点が約600℃のものを用いる。融点の調整
は、スズおよびインジウムの量を、ろう材1の主成分である銀の量に対して調整することによって行う。その場合の適した組成は前述した通りである。
(2) After the paste-like brazing material 1 is printed on the insulating
(3)次に、絶縁基体11、ろう材1のペースト、銅ペーストを積層したものを真空炉で仮焼する。仮焼は例えば400℃で30分〜4時間行われる。真空炉を用いる理由は活性ろう材を反応生成させるためであり、活性ろう材を用いない場合は水素もしくは窒素の非酸化性雰囲気にて仮焼を行う。
(3) Next, the insulating
(4)次に本焼成は真空炉でろう材1の融点に対し0℃〜100℃程度高い温度に電気炉の温度を設定し、1分〜3時間かけておこなう。焼成時間は銅ペーストの厚みにより調整される。活性ろう材を用いない場合、前述の理由で水素もしくは窒素の非酸化性雰囲気にて本焼成を行う。 (4) Next, the main calcination is performed in a vacuum furnace at a temperature higher than the melting point of the brazing filler metal 1 by about 0 ° C. to 100 ° C. for 1 minute to 3 hours. The firing time is adjusted by the thickness of the copper paste. When the active brazing material is not used, the main calcination is performed in a non-oxidizing atmosphere of hydrogen or nitrogen for the reasons described above.
好適にはろう材1の加熱は、ろう材1の融点より約50℃以上高い温度で行えばよく、ろう材1の加熱温度を融点近傍に設定する場合は、熱処理の時間を1時間以上に設定するとよい。 The brazing material 1 is preferably heated at a temperature about 50 ° C. higher than the melting point of the brazing material 1. When the heating temperature of the brazing material 1 is set near the melting point, the heat treatment time is set to 1 hour or more. It is good to set.
なお、金属板2の表面に、導電性および耐食性が高くかつ電子部品の接合材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておいてもよい。この場合には、金属板2と外部電気回路および接合材等との接合がより容易かつ強固なものとなり得る。また、金属板2と外部電気回路等との間の電気的な接続をより良好なものとすることができる。
Note that a metal having high conductivity and corrosion resistance and good wettability with the bonding material of the electronic component may be deposited on the surface of the
めっき金属としては、例えばニッケル、コバルト、銅および金等の金属材料、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料が挙げられる。例えば、内部にリンを8〜15質量%含有するニッケル−リンのアモルファス合金のめっき層であれば、ニッケルめっき層の表面酸化を抑制して接合材7等の濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対するリンの含有量が8〜15質量程度であると、ニッケル−リンのアモルファス合金が形成されやすくなって、めっき層に対する接合材6等の接着強度を向上させることができる。このニッケルめっき層の厚みは、例えば1.5〜10μm程度であればよい。
Examples of the plating metal include metal materials such as nickel, cobalt, copper, and gold, or alloy materials containing these metal materials as main components. For example, in the case of a nickel-phosphorus amorphous alloy plating layer containing 8 to 15% by mass of phosphorus inside, the surface oxidation of the nickel plating layer can be suppressed and the wettability of the bonding material 7 and the like can be maintained for a long time. It is preferable because it is possible. When the content of phosphorus with respect to nickel is about 8 to 15 masses, a nickel-phosphorus amorphous alloy is easily formed, and the adhesive strength of the
本焼成でろう材1の融点を超えた時点で、ろう材ペーストから銅ペーストへの銀成分の拡散が始まり、焼結が終わると拡散も終わる。 When the melting point of the brazing filler metal 1 is exceeded in the main firing, the diffusion of the silver component from the brazing filler paste to the copper paste starts, and the diffusion also ends when the sintering is finished.
なお、本発明の金属板等は上記実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。 In addition, the metal plate of this invention is not limited to the example of the said embodiment, A various change is possible if it is in the range of the summary of this invention.
例えば、金属板2において、ろう材1側の銅粒子3の粒径は、金属板2の表層側の銅粒子3の粒径より小さいことが好ましい。銅粒子3の粒径が小さい方が、粒界4の空間が大きくなるので充填される銀成分5の量が大きくなる。従って、金属板2において、熱応力が最も大きくかかるろう材1側でヤング率を小さくすることができ、熱応力を低減させることができる。
For example, in the
このような構成とするためには、ろう材1となるペースト中の銀含有量などを所定の値に調整しておけば良い。ペーストの焼成が始まると、ろう材ペースト側の銅粒子は、反対側の銅粒子に比べて、ろう材中の銀成分が拡散してきて合金化しやすい。ろう材1側の銅粒子は、合金化しやすいので融点が低くなり、焼結が早く終わるので粒成長せず粒径が小さくなりやすい。 In order to obtain such a configuration, the silver content or the like in the paste used as the brazing material 1 may be adjusted to a predetermined value. When the firing of the paste is started, the copper component on the brazing material paste side is more likely to be alloyed as the silver component in the brazing material diffuses than the copper particles on the opposite side. Since the copper particles on the brazing filler metal 1 side are easily alloyed, the melting point is low, and since the sintering is completed early, the grains do not grow and the particle diameter tends to be small.
また、例えば、金属板2において、銅粒子3の粒径は均一であることが好ましい。この場合には、粒界4の空間が大きくなるので充填される銀成分5の量が大きくなる。従って、金属板2において、ヤング率をより小さくすることができ、熱応力を低減させることができる。
For example, in the
1・・・ろう材
2・・・金属板
3・・・銅粒子
4・・・粒界
5・・・銀成分
6・・・銀−銅合金層
10・・・回路基板
11・・・絶縁基体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
10 ... Circuit board
11 ... Insulating substrate
Claims (2)
該絶縁基体の主面に、銀成分を含有するろう材を介して接合されている、銅粒子が焼結されて成る金属板と、を有しており、
前記金属板において、前記銅粒子の粒界に、前記ろう材中から拡散した前記銀成分が充填されており、前記ろう材側の前記銅粒子の粒径は、前記金属板の表層側の前記銅粒子の粒径より小さい回路基板。 An insulating substrate;
A metal plate formed by sintering copper particles, which is bonded to the main surface of the insulating base via a brazing material containing a silver component;
In the metal plate, grain boundaries of the copper particles are filled with the silver component diffused from the brazing material, and the particle size of the copper particles on the brazing material side is the surface layer side of the metal plate. A circuit board smaller than the copper particle size .
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