JPH10270612A

JPH10270612A - 放熱板接合用基板

Info

Publication number: JPH10270612A
Application number: JP6876797A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Baba; 陽一郎馬場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-09
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JP3505950B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で放熱板と放熱板接合用基板との
間の接合層に存在する気泡を低減することができなかっ
た。【解決手段】セラミック基台１２の上面側に固着した
銅板１４より下面側に固着した銅板１６の厚みを厚くし
た３層構造の放熱板接合用基板１０を作成し、はんだ箔
２２を介して放熱板２０の上に載置する。放熱板接合用
基板１０と放熱板２０との接合のため加熱すると発生す
る熱応力の違いから銅板１４より銅板１６が多く延び、
放熱板接合用基板１０全体が下側が凸状湾曲して、凸状
曲面を形成する。放熱板接合用基板１０と放熱板２０と
の接合層に存在する気泡２８は自らの浮力によって凸状
曲面に沿って移動し、排出除去される。放熱板接合用基
板１０の除冷後は凸状曲面は平坦に復帰して放熱板接合
用基板１０と放熱板２０との接合が終了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱板接合用基
板、特に、放熱板接合用基板と放熱板との接合層に存在
する気泡（ボイド）を低減することのできる放熱板接合
用基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パワーモジュール等のように動作
時に発熱する電子部品を搭載する基板は、当該電子部品
を使用温度内に維持するために放熱対策が講じられてい
る。例えば、基板の裏面側に熱伝導率の高い大型金属を
放熱板として貼り付け、基板上で発生した熱を拡散し放
熱している。

【０００３】このような放熱板と基板との接合は、強固
な接合が可能であり、かつ熱伝達性が良好なはんだ付け
によって行われことが一般的である。また、効率的な接
合作業を行うためにはんだ付け装置を用いたフローはん
だ付け方式や連続加熱炉を用いたリフローはんだ付け方
式が利用されている。ところで、部品同士のはんだ付け
を行う場合、両者間に形成される接合層（はんだ層）に
気泡（ボイド）が残留することがある。はんだ付けが行
われるプロセス中では、はんだを構成する酸化鉛、酸化
スズ、酸化ニッケル等がＨ₂で還元され濡れ性を確保し
ながらはんだ付けが進む。この時の還元作用によって発
生するＨ₂Ｏが残留して気泡を形成する場合がある。ま
た、接合面の凹凸によって形成された空間がそのまま残
って気泡を形成する場合もある。さらに、はんだ付け時
に使用するフラックスの気化により発生するガスによっ
て気泡が形成される場合やはんだ材の溶融が周囲部から
始まることによって発生する空間（空気層）をトラップ
した結果、その部分が残留し気泡となる場合等がある。
このような気泡が発生した場合、基板と放熱板との接合
力が極端に低減する。また、気泡によって熱伝導率が低
下し、十分な放熱が行えなくなる場合もある。

【０００４】このような気泡対策として、例えば、特開
昭５９−３３８９７号公報には、フローはんだ付け方式
において、水平面に対して所定角度傾いた噴流はんだ路
を形成し、この噴流はんだ路に対して基板を平行に投入
するはんだ付け装置が示されている。この装置によれ
ば、はんだ層内に存在する気泡が自らの浮力によって傾
いた基板面に沿って上昇しはんだ層から排出され気泡の
ないはんだ接合層を形成している。また、同様な考え方
をリフローはんだ付け方式に適用した場合、水平面に対
して所定角度傾いた搬送具に基板を載置して連続加熱炉
中を搬送すれば、前述と同様な浮力による気泡の排出を
行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した対策
は、いずれも生産設備の大がかりな改善を必要としてい
るため、生産のためのトータルコストが増加してしまう
という問題がある。

【０００６】また、基板を斜めにする方法では、大型基
板では基板を斜めにした時に下端側にトラップされた気
泡は上端側まで移動する必要があり、移動距離が長く完
全に排出できないとう問題がある。

【０００７】さらに、基板を斜めにすると、当該基板に
実装はんだ付けされる部品も傾いてしまい正規の実装位
置を維持できないと共に、はんだ付け部に付着するはん
だ量も下端側に偏ってしまう。その結果、放熱板と基板
との接合強度や放熱効率に偏りが発生するという問題が
ある。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、簡単な構成で放熱板と基板との間の接合層に存在す
る気泡（ボイド）を低減することのできる放熱板接合用
基板を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明の構成は、一方面に発熱部品を搭載
し、他方面が放熱板に接合可能な放熱板接合用基板であ
って、前記放熱板接合用基板の放熱板接合側面に発生す
る熱応力が発熱部品搭載側面に発生する熱応力より相対
的に大きい熱膨張層を有し、前記放熱板接合用基板の加
熱時に放熱板接合側に凸状曲面を形成することを特徴と
する。

【００１０】ここで、前記放熱板接合側面の凸状曲面は
円筒曲面の他、球曲面も含む。また、発生する熱応力の
違いは、基板の一方側と他方側とで熱膨張率の異なる材
質を用いたり、同じ材質でもその厚みを変えることで得
ることができる。

【００１１】この構成によれば、放熱板と放熱板接合用
基板との接合時に当該基板を加熱することによって、基
板上下面に発生する熱応力の違いから放熱板接合側面が
他方より延び、放熱板接合側面に凸状に湾曲する。その
結果、放熱板と放熱板接合用基板との接合時に接合層に
存在する気泡は、前記基板の凸部頂部近傍から周辺部に
向かって凸状曲面に沿って自らの浮力によって移動する
ので、気泡の排出を簡単な構成で容易に行うことができ
る。また、気泡の移動距離は凸部頂部近傍から周辺部に
至る比較的短い距離になるので、十分な気泡排出を行う
ことができる。さらに、前記放熱板接合用基板の除冷
後、凸状曲面は元の形状に復帰するので、当該放熱板接
合用基板に搭載する発熱部品を安定保持することができ
る。また、放熱板と放熱板接合用基板との接合層の厚み
も均一になるので安定して接合状態を得ることができ
る。

【００１２】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、一方面に発熱部品を搭載し、他方面が放熱
板に接合可能な放熱板接合用基板であって、前記放熱板
接合用基板の放熱板接合側面が凸状曲面であることを特
徴とする。

【００１３】この構成によれば、放熱板と放熱板接合用
基板との接合時に接合層に存在する気泡は、前記基板の
凸部頂部近傍から周辺部に向かって凸状曲面に沿って自
らの浮力によって移動するので、気泡の排出を簡単な構
成で容易に行うことができる。また、気泡の移動距離は
凸部頂部近傍から周辺部に至る比較的短い距離になるの
で、十分な気泡排出を行うことができる。

【００１４】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、当該基板と放熱板との接合をはんだ付けに
て行うことを特徴とする。

【００１５】この構成によれば、放熱板と放熱板接合用
基板の接触位置、すなわち凸状曲面の頂部近傍が最初に
加熱され、その位置からはんだの溶融が始まり、徐々に
周囲に溶融が広がるため、はんだ層に存在する気泡を周
囲に順次押し出すことができる。また、はんだ溶融中に
凸状曲面の形成を行うことができるので、気泡の浮力を
利用した排出を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。

【００１７】図１（ａ），（ｂ）には、本実施形態の放
熱板接合用基板（以下、単に基板という）の概略図が示
されている。図１（ａ）に示すように、基板１０はセラ
ミック基台１２の上面及び下面に金属層として銅板
（箔）１４，１６が固着された平板状の３層構造を呈
し、図１（ｂ）に示すように、銅板１４の上面には電子
部品１８（本実施形態の場合、動作時に発熱する発熱部
品とする）が実装されている。前記銅板１４，１６は、
電子部品１８とのはんだ付け接合や図２に示す放熱板２
０との接合のために設けられている。なお、図１は各電
子部品１８が並列回路を形成している例であり、銅板１
４はシート状の共通薄膜で形成しているが、必要に応じ
て銅板１４を加工した電極パターンとしてもよい。銅板
１６も同様である。前記セラミック基台１２は、例えば
ＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃等で構成され、当該セラミック基台１
２と銅板１４及び銅板１６との接合は、活性金属法（Ａ
ｇを主成分とするロー材による接合）や直接圧着法によ
って行われる。そして、３層構造を有する基板１０が、
図２に示すように放熱板２０に接合される。前記放熱板
２０はＣｕ−Ｍｏ、ＳｉＣ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｗ等熱伝導率
が高く線膨張率の低いものが使用される。

【００１８】本実施形態の特徴的事項は、セラミック基
台１０の放熱板接合側面に配置された銅板１６に発生す
る熱応力（セラミック基台１０に対する曲げモーメン
ト）を電子部品１８の載置側面に配置された銅板１４に
発生する熱応力より相対的に大きく設定することによ
り、全体としてセラミック基台１０を一方に曲げて、凸
面を形成するところにある。本実施形態では、熱応力の
違いを生じさせるために、銅板１６を銅板１４よりも厚
く形成した例を示している。

【００１９】図２を用いて、本実施形態の基板１０と放
熱板２０との接合手順を説明する。まず、図１に示すよ
うなセラミック基台１２の上面に厚みｔ１の銅板１４を
固着し、前記銅板１４より厚みの厚い銅板１６（厚さｔ
２）をセラミック基台１２の下面に固着する。なお、銅
板１４と銅板１６の厚みの比は、個々の銅板の大きさや
その形態が図１（ｂ）に示すようなシート状か或いは電
極パターン状か等によって異なるが、例えば０．１５：
０．３５である。この基板１０をはんだ箔２２を介して
放熱板２０の上面に載置する（図２上段）。なお、放熱
板２０の表面及び銅板１６の表面には電解Ｎｉが施さ
れ、十分なはんだ濡れ性が確保されている。また、前記
はんだ箔２２は、例えばＰｂ５０−Ｓｎ５０の中温はん
だで、フラックスは含有されていないものとする。

【００２０】このようにセットされた基板１０と放熱板
２０は図示しない搬送装置によって、連続加熱炉（還元
炉）２４に投入される（図２中段）。この連続加熱炉２
４は、はんだ箔２２、基板１０、放熱板２０等に形成さ
れている酸化膜の還元除去を行い良好な状態ではんだ付
けを行うために、内部にＨ₂ガス及びＮ₂ガス（Ｈ₂ガス
構成比３０％）が満たされたトンネルタイプの加熱炉
で、加熱ピーク温度は例えば３５０℃に設定されてい
る。そして、前記基板１０と放熱板２０とが連続加熱炉
２４を通過する間に加熱され前記はんだ箔２２の溶融が
行われ、両者のはんだ付けが行われることになる。

【００２１】基板１０の加熱に伴い、当該基板１０の熱
膨張が始まる。基板１０を構成するセラミック基台１２
は、例えばＡｌＮで構成され、その線膨張率は４．５ｐ
ｐｍ／Ｋであるのに対して、銅板１４，１６を構成する
Ｃｕの線膨張率は１６．５ｐｐｍ／Ｋである。また、セ
ラミック基台１２の下面側に固着された銅板１６は、上
面側に固着された銅板１４より厚みが厚いため相対的な
曲げモーメントが銅板１４より多くなる。すなわち、セ
ラミック基台１２の下面側に固着された銅板１６が上面
側に固着された銅板１４より多く延びようとする。銅板
１６はセラミック基台１２に固着されているので、セラ
ミック基台１２は銅板１６側に凸状に湾曲して、基板１
０全体として放熱板２０側に凸状に円筒曲面を形成する
（図２中段参照）。なお、この時の曲面の凸状頂部２６
の突出量は、例えば、幅１７ｍｍの基板で２００〜５０
０μｍ、好ましくは２３０μｍ程度である。

【００２２】連続加熱炉２４内部において、基板１０や
放熱板２０に対して炉の熱は輻射よりも伝熱で伝わる分
が多いため、基板１０が湾曲した場合、はんだ箔２２と
接触している基板１０（実際は銅板１６）の凸状頂部２
６付近から温度上昇が始まり、はんだ箔２２の溶融もこ
の凸状頂部２６付近から始まり、徐々に周囲部に広がっ
ていく。

【００２３】この時、はんだ箔２２の変形（凹凸等）に
よって、銅板１６とはんだ箔２２との間、または、はん
だ箔２２と放熱板２０との間にトラップされていた気泡
（気体）２８及び、はんだ箔２２その他銅板１６や放熱
板２０の表面に付着していた水分や還元作用によって発
生した水分等の不純物が気化して発生した気泡（気体）
２８は、前記凸状頂部２６付近から基板１０の凸状曲面
に沿って、自らの浮力によって図中矢印Ａ方向に移動し
はんだ層２２ａ内部から排出される。つまり、はんだ箔
２２の溶融と共に気泡２８の排出が始まり、溶融の完了
と共に気泡２８の排除が完了する。

【００２４】この後、連続加熱炉２４内部で徐々に除冷
することによって、図２下段に示すように銅板１４、１
６及びセラミック基台１２、すなわち基板１０は元の平
板状態に復元し、はんだ２２ａの冷却と共に復元した基
板１０が放熱板２０に平坦に固着される。

【００２５】このように、熱膨張を利用し、加熱時のみ
基板１０が凸状曲面を形成し、中央部から気泡２８の排
出を行うので、はんだ付け関連設備の改善を行うことな
くはんだ層から気泡の排除を行うことができる。また、
除冷が行われると基板１０の凸状曲面は平坦面に復帰す
るので、基板１０が載置する電子部品１８を平坦面で安
定して保持すると共に、基板１０と放熱板２０との接合
層であるはんだ層２２ａの接合量は均一化され安定した
基板１０と放熱板２０との接合固定を行うことができ
る。

【００２６】図３（ａ）には、他の実施形態の基板３０
が示されている。当該基板３０も図１に示す基板１０と
同様に、ＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃等で構成されたセラミック基
台３２の上面と下面に銅板３４，３６が固着された３層
構造を呈しいる。本実施形態の特徴的事項は、前記セラ
ミック基台３２の放熱板側（図３では下面側）が予め凸
状曲面を呈しているところである。なお、この時の曲面
の凸状頂部の突出量は、例えば、幅１７ｍｍの基板で２
００〜５００μｍ程度である。これ以上突出量が増加す
ると端部における熱伝導性が低下し、放熱効果に障害が
生じる恐れがある。従って、この例の場合も突出量は、
好ましくは２３０μｍ程度である。なお、基板３０の場
合、セラミック基台３２に固着された銅板３４，３６に
よる湾曲操作を必要としないため銅板３４，３６の厚み
（熱応力の大きさ）は同じに設定される。なお、本実施
形態の場合、銅板３６は比較的柔らかいため、加圧処理
等によって容易にセラミック基台３２の曲面に沿って固
着させることができる。

【００２７】前記基板３０と放熱板２０との接合を行う
場合、図２（ｂ）に示すように図１の実施形態と同様
に、基板３０をはんだ箔２２を介して放熱板２０に載置
する。この時、予め湾曲した基板３０をはんだ箔２２に
対して安定して載置するために、図３（ｂ）に示すよう
な基板固定用工具３８を使用することが望ましい。

【００２８】基板３０と放熱板２２との固着を行う場
合、図３（ｂ）の状態で前述した実施形態と同様に連続
加熱炉に投入する。加熱が開始されると、図２の場合と
同様に、凸状頂部４０付近からはんだ箔２２の溶融が始
まり、トラップされたり発生した気泡が図２の場合と同
様にスムーズに排出除去される。なお、図２に示す例の
場合、連続加熱炉の温度プロファイルを設定する場合、
基板加熱時の各部材の熱膨張の状態とはんだ溶融・凝固
状態の２項目を考慮して行う必要があるが、図３に示す
例の場合、セラミック基台３２の放熱板側を予め凸状曲
面で形成しているので、通常通りはんだの溶融・凝固状
態のみを考慮して容易な温度プロファイル設定を行うこ
とができる。また、同じ厚さの銅板３４，３６を使用す
ることができるので、部品の共通化を行うことができ
る。

【００２９】図４には、図３に示した基板３０の変形例
である基板４２の構成が示されている。基板４２も予め
放熱板接合側（図４では下面側）に凸状曲面が形成され
ている。基板４２の場合、セラミック基台４４及び上面
に固着される銅板４６は図１に示す基板１０と同様に平
坦な板状形状を呈し、前記セラミック基台４４の下面に
固着される銅板４８が予め凸状曲面を呈している。この
場合も、図３の例と同様に、はんだの溶融、気泡の排出
をスムーズに行い、基板４２と放熱板２０との接合を行
うことができる。また、材料として加工し易い銅板に凸
状曲面を設けることによって、部品コストの低減を行う
ことができる。

【００３０】なお、銅板４８に凸状曲面を予め形成する
ことによって、実質的に銅板４６より銅板４８の方が厚
くなる。このため、図１、図２で説明したような熱膨張
による湾曲変形作用も加わる。この結果、銅板４８に形
成する凸状曲面の突出量を図３の例より少なくすること
が可能になり、銅板４８の加工コストの低減をさらに行
うことができる。また、基板４２は予め凸状曲面を有す
るため、連続加熱炉に投入する際には、基本的には図３
の例と同様に基板固定用工具３８を使用することが望ま
しいが、前述したように基板４２は、銅板４６，４８の
熱膨張の違いによる湾曲変形作用も行うので、予め形成
する凸状曲面の突出量を少なくできる。従って、基板固
定用工具３８の使用は、必要に応じて行えばよい。な
お、基板固定用工具３８を使用する場合、当該基板固定
用工具３８の基板保持部に熱膨張による湾曲変形（上方
への移動）を考慮して、変形分を吸収するダンパ機能を
有する構成としてもよい。

【００３１】図５に示す基板５０の構造は、図１に示す
熱膨張を利用した例の変形例である。基板５０もセラミ
ック基台５２を中心に上面及び下面に金属板を固着した
３層構造である点は他の例と同様である。基板５０の場
合、セラミック基台５２の上面に固着した金属板５４は
下面に固着した金属板５６より小さな線膨張率を有する
材料で形成されている。例えば、下面側に固着する金属
板５６を他の例と同様にＣｕ（線膨張率：１６．５ｐｐ
ｍ／Ｋ）で構成した場合、上面側金属板５４はＣｕより
線膨張率の小さい材質、例えばモリブデン（Ｍｏ）（線
膨張率：５．１ｐｐｍ／Ｋ）を使用する。この場合、基
板５０を加熱した場合、図２で示した例と同様に、放熱
板接合側（図５では下面側）の金属板（銅板）５６の方
がより多く膨張し延びるため下側凸状に湾曲し、凸状曲
面を形成する。この結果、連続加熱炉内における加熱時
のはんだ箔の溶融や気泡の移動、排出除去等の効果は図
２で説明した場合と同様である。なお、下面側の金属板
５６にＣｕを使用した場合、上面側の金属板５４に使用
したＭｏの代替材としては、例えば、ニッケルやタング
ステン、アルミニウムがあげられる。

【００３２】このように、材質毎の線膨張率の違いを利
用することによって、基板を制作する場合の材料選択範
囲が広がり設計の自由度を向上することができる。

【００３３】なお、上述した各実施形態においては、セ
ラミック基台の放熱板側に固着する金属として銅を使用
した例を説明したが、電気伝導度が高い材質であれば任
意であり、さらに、熱膨張を利用した例の場合は、電気
伝導度及びヤング率の高い材質の中から適宜選択するこ
とができる。

【００３４】また、上述した各基板１０，３０，４２，
５０は、放熱板との接合時にはんだを使用しない場合で
も接合層に存在する気泡を排除することができる。

【００３５】例えば、主として熱膨張を利用する基板１
０，５０等の場合、まず、基板１０（５０）を所定温度
まで加熱して放熱板接合側に凸状曲面を形成し、シリコ
ングリスや接着剤が塗布された放熱板の上に載置する。
そして、基板１０（５０）の除冷を行うと、曲面形状が
元の平坦な形状に復帰する。この時、凸状頂部から放熱
板に対する密着が始まるので、シリコングリスや接着剤
の内部にトラップされていた気泡は徐々に周辺部に向か
って追い出され、良好な気泡は移出排除を行うことがで
きる。

【００３６】また、基板３０，４２等のように予め放熱
板接合側に凸状曲面が形成されている場合は、図６に示
すように、シリコングリスや接着剤５８が塗布された放
熱板上で基板４２を曲面に沿って転がせば、シリコング
リスや接着剤５８の内部にトラップされていた気泡の排
出除去を容易に行うことができる。

【００３７】なお、上述した実施形態のうち熱膨張を利
用する基板の場合、基板の上面側より下面側の曲げモー
メントが相対的に多く働けば、同様の効果を得ることが
可能で、上面側に配線パターンを固着し、下面側にシー
ト状の金属板を固着した場合でもよい。

【００３８】なお、上述した各実施形態においては、放
熱板との接合面が円筒曲面である場合を例にとって説明
しているが、球面で形成される曲面でも同様な効果を得
ることができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、生産設備等の改善を行
うことなく、簡単な構成で放熱板と基板との間の接合層
に存在する気泡（ボイド）を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る放熱板接合用基板の
概略図である。

【図２】図１の放熱板接合用基板と放熱板との接合手
順を説明する説明図である。

【図３】本発明の実施形態に係る他の放熱板接合用基
板の概略図と当該放熱板接合用基板と放熱板の接合方法
を説明する説明図である。

【図４】本発明の実施形態に係る他の放熱板接合用基
板の概略図である。

【図５】本発明の実施形態に係るさらに他の放熱板接
合用基板の概略図である。

【図６】本発明の実施形態に係る放熱板接合用基板を
シリコングリスを介して放熱板に接合する場合の気泡排
除を説明する説明図である。

【符号の説明】

１０，３０，４２，５０放熱板接合用基板（基板）、
１２，３２，４４，５２セラミック基台、１４，１
６，３４，３６，４６，４８銅板、２０放熱板、２
２はんだ箔、２６，４０凸状頂部、２８気泡、５
４，５６金属板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方面に発熱部品を搭載し、他方面が放
熱板に接合可能な放熱板接合用基板であって、前記放熱板接合用基板の放熱板接合側面に発生する熱応
力が発熱部品搭載側面に発生する熱応力より相対的に大
きい熱膨張層を有し、前記放熱板接合用基板の加熱時に放熱板接合側に凸状曲
面を形成することを特徴とする放熱板接合用基板。
【請求項２】一方面に発熱部品を搭載し、他方面が放
熱板に接合可能な放熱板接合用基板であって、前記放熱板接合用基板の放熱板接合側面が凸状曲面であ
ることを特徴とする放熱板接合用基板。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の基板であ
って、当該基板と放熱板との接合をはんだ付けにて行うことを
特徴とする放熱板接合用基板。