JPH07162105A - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- JPH07162105A JPH07162105A JP30205593A JP30205593A JPH07162105A JP H07162105 A JPH07162105 A JP H07162105A JP 30205593 A JP30205593 A JP 30205593A JP 30205593 A JP30205593 A JP 30205593A JP H07162105 A JPH07162105 A JP H07162105A
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
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- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
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- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
- Structure Of Printed Boards (AREA)
Abstract
著しく減少させることができ、またヒートショックやヒ
ートサイクル等の熱衝撃、熱履歴に対する耐久性も充分
に高い回路基板の提供。 【構成】セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方
の面には金属放熱板が接合されてなるものであって、そ
の接合層中に存在する直径1mm以上の空隙の占有率が
接合層全体の体積に対して0.3〜3%であることを特
徴とする回路基板。
Description
属回路と金属放熱板が形成されてなる回路基板の改良に
関するものである。
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散するため、大電力モジュール基板では従来より様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導性を有す
るセラミックス基板が利用できるようになったため、セ
ラミックス基板上に銅板等の金属板を接合し、金属回路
を形成後、そのままあるいはメッキ等の処理を施してか
ら半導体素子を実装し、回路の反対側には、放熱フィン
を取り付けるための金属放熱板を接合する構造も採用さ
れつつある。
が、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、活性金
属ろう付け法、硫化銅法、DBC法、銅メタライズ法等
をあげることができる。特に、大電力モジュール基板で
注目されている高熱伝導性の窒化アルミニウム基板と銅
板とを接合するには、両者間に活性金属を含むろう材
(以下、単に「ろう材」という)を介在させ、加熱処理
して接合体とする活性金属ろう付け法(例えば特開昭60
-177634 号公報)や、表面が酸化処理された窒化アルミ
ニウム基板と銅板を銅の融点以下でCu-Oの共晶温度以上
で加熱して接合するDBC法(例えば特開昭56-163093
号公報)等が採用されている。
以下の利点がある。 (1)上記接合体を得るための処理温度が低いので、窒
化アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残
留熱応力が小さい。 (2)ろう材が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が大である。
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クル等の熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して充
分に満足された耐久性があるとはいえず新しい技術の提
案が待たれていた。そこで、金属回路(通常はセラミッ
クス基板の上面に設けられる)の体積を反対面に形成さ
れる金属放熱板の体積の50〜90%に調整する(特開
昭63-24815号公報)、金属放熱板の厚みを金属回路のそ
れの50%以下にする(特開平5-170564号公報)等によ
ってある程度は改善された。
金属回路と金属放熱板の材質は共に銅であるので、両者
の体積を変えるということは熱膨張による応力のバラン
スを異なったものにすることと同等であるので、回路基
板自体の耐熱衝撃性が向上して金属回路又は金属放熱板
が剥離することが少なくなったが、金属回路に半導体素
子と、金属放熱板にベース銅板を半田付けする際の急激
な温度上昇によって回路基板の反りが著しくなり、それ
によって金属放熱板とベース銅板との間に隙間ができ、
その部分が半田付け後にボイドとなる危険性があった。
するために種々検討した結果、金属回路と金属放熱板を
形成させる金属板とセラミックス基板との接合層に着目
し、この接合層中に特定の空隙を設けることによって両
者の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を吸収させるこ
とができることを見いだし、本発明を完成させたもので
ある。
ラミックス基板の一方の面には金属回路、他方の面には
金属放熱板が接合されてなるものであって、その接合層
中に存在する直径1mm以上の空隙の占有率が接合層全
体の体積に対して0.3〜3%であることを特徴とする
回路基板である。
ると、本発明で使用されるセラミックス基板としては、
窒化アルミニウム基板、ベリリア基板、アルミナ基板等
をあげることができるが、中でも窒化アルミニウム基板
が好ましく、その密度は機械的強度及び電気特性の点か
ら相対密度で95%以上であることが望ましい。セラミ
ックス基板の厚みとしては0.4〜0.7mm程度が適
切である。
質は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等
であるが、銅が一般的である。金属回路の厚みとして
は、近年、電流密度が向上していく傾向から0.3mm
よりも厚い方が好ましく、また金属放熱板の厚みは0.
2mm以下であることが望ましい。
を、また他方の面には金属放熱板を形成する方法として
は、セラミック基板と金属板との接合体をエッチングす
る方法、金属板から打ち抜かれた金属回路及び/又は金
属放熱板のパターンをセラミックス基板に接合後不要の
金属部分を剥離する方法等によって行うことができ、こ
れらの際における金属板又はパターンとセラミックス基
板との接合には、活性金属ろう付け法やDBC法等が採
用される。
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基
板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とす
る。この活性金属成分は、セラミックス基板と反応して
酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材と
セラミックス基板との結合を強固なものにする。活性金
属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニ
ウム、ニオブ、タンタル、バナジウムやこれらの化合物
である。これらの比率としては、銀69〜75重量部と
銅25〜31重量部の合計量100重量部あたり活性金
属3〜35重量部である。
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤と必要に応
じての有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミ
キサー、万能混合機、らいかい機等で混合することによ
って調製することができる。有機溶剤としては、メチル
セルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン
等、また有機結合剤としてはエチルセルロース、メチル
セルロース、ポリメタクリレート等が使用される。
の空隙を生じさせる手段としては、活性金属ろう付け法
で使用されるろう材ペースト中の有機結合剤を通常の量
よりも例えば3〜5倍量多く添加して有機結合剤の微小
な固形物を残存させ、ろう付けの加熱処理時に有機結合
剤を焼失させる方法、ろう材ペーストをセラミックス基
板上に塗布する際に、あらかじめ数十μmの間隔に縞状
又は格子状に溝が生じるように塗布する方法等によって
行うことができる。
路間の接合層、及びセラミックス基板と金属放熱板間の
接合層に存在する直径1mm以上の空隙の占有率が接合
層全体の体積に対して0.3〜3%であることが必要で
ある。空隙の占有率が3%をこえるとセラミックス基板
と金属回路又は金属放熱板との接合強度が弱まり、また
0.3%未満では上記した熱応力を吸収する効果が充分
に現れなくなる。
エックス線によって測定することができ、また接合層全
体の体積は回路基板の断面のSEM観察から求めること
ができる。
的に説明する。 実施例1〜5 比較例1〜6 銀、銅及びジルコニウムの各金属粉末を、銀粉末75重
量部、銅粉末25重量部にジルコニウム粉末5重量部、
テルピネオール15重量部、及び有機結合剤としてポリ
イソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で
表1に示す比率で加えてよく混練し、ろう材ペーストを
調製した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板
(51×36×0.65mm)の回路面側(表面)にス
クリーン印刷によって表1及び図1に示す格子状のパタ
ーンに塗布し、また放熱面側(裏面)には全面塗布し
た。その際の塗布量(乾燥後)は6〜8mg/cm2 と
した。
ルミニウム基板の表面には金属回路形成用銅板(51×
36×0.5mm)を、また裏面には金属放熱板用銅板
(51×36×0.2mm)を接触配置してから、真空
度1×10-5Torr以下の真空下、温度900℃で3
0分加熱した後、2℃/ 分の降温速度で冷却して接合体
を製造した。
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、
塩化第2銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不
要部分を溶解除去し、さらにエッチングレジストを5%
苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の接
合体には、銅回路パターン間に残留不要ろう材や活性金
属成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、
それを除去するため、温度60℃、10%のフッ化アン
モニウム溶液に10分間浸漬した。
板について、軟エックス線(ソフテックス社製「SV−
100AW」 測定条件:電圧30kV 電流3mA)
によって接合層全体に存在する直径1mm以上の空隙を
測定し、それを回路基板の断面をSEM観察して求めら
れた接合層全体の体積で割り算して占有率を算出した。
また、ピール強度をプッシュプルゲージを用いて測定し
た。
撃)試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−4
0℃×30分保持後、25℃×10分間放置、更に12
5℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイク
ルとして行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数
を測定した。また、250℃に加熱したときの回路基板
の反り量を非接触式レーザー変位計で測定した。更に
は、回路基板を厚さ4mmのベース銅板に250℃のリ
フロー炉中で無荷重にて半田付けを行った際のボイドの
発生率〔(ボイド面積)/(回路基板面積)×100〕
を超音波探査機(日立製作所社製「AT−7000」)
で測定した。これらの結果を表1に示す。
向を+とする。
に半田付けする際のボイド発生率を著しく減少させるこ
とができ、またヒートショックやヒートサイクル等の熱
衝撃、熱履歴に対する耐久性も充分に高いものである。
トのパターンを示す平面図
Claims (1)
- 【請求項1】 セラミックス基板の一方の面に金属回
路、他方の面には金属放熱板が接合されてなるものであ
って、その接合層中に存在する直径1mm以上の空隙の
占有率が接合層全体の体積に対して0.3〜3%である
ことを特徴とする回路基板。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP30205593A JP3260224B2 (ja) | 1993-12-01 | 1993-12-01 | 回路基板の製造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0895284A1 (en) * | 1996-04-12 | 1999-02-03 | Dowa Mining Co., Ltd. | Metal-ceramic composite circuit substrates |
JP2005311382A (ja) * | 2005-04-25 | 2005-11-04 | Dowa Mining Co Ltd | セラミックス−金属複合回路基板及びその製造方法 |
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1993
- 1993-12-01 JP JP30205593A patent/JP3260224B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP4584764B2 (ja) * | 2005-04-25 | 2010-11-24 | Dowaホールディングス株式会社 | セラミックス−金属複合回路基板の製造方法 |
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