TWI651815B - 電力模組及發光裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種與密封樹脂之接合強度提高之陶瓷電路基板以及能夠實現較高之可靠性之電力模組及發光裝置。陶瓷電路基板1具備陶瓷基板2、由Cu構成之導體層3、及被覆導體層3之金屬皮膜4。金屬皮膜4包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。
Description
本發明係關於一種陶瓷電路基板、電力模組及發光裝置。
於陶瓷電路基板中，存在基於例如將電阻抑制得較低等理由而對信號配線等之導電體材料使用Cu(銅)之情形(例如，參照專利文獻1)。另一方面，搭載於陶瓷電路基板之表面之半導體元件係由樹脂材料密封以進行保護(例如，參照專利文獻2)。
[專利文獻1]國際公開第2015/114987號
[專利文獻2]日本專利特開平8-213547號公報
本發明之陶瓷電路基板具備：陶瓷基板；由Cu構成之導體層，其具有供搭載半導體元件之搭載區域，配設於上述陶瓷基板之表面；及金屬皮膜，其被覆上述導體層之至少除上述搭載區域以外之區域。金屬皮膜包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。
本發明之電力模組具備：上述之陶瓷電路基板；電力元件，其係搭載於上述搭載區域之半導體元件；殼體，其收納上述陶瓷電路基板與上述電力元件；及密封樹脂，其被填充至上述殼體內，而將上述電力元件密
封。
本發明之發光裝置具備：上述之陶瓷電路基板；發光元件，其係搭載於上述搭載區域之半導體元件；及密封樹脂，其將上述發光元件密封。
1‧‧‧陶瓷電路基板
1A‧‧‧陶瓷電路基板
2‧‧‧陶瓷基板
3‧‧‧導體層
3a‧‧‧搭載區域
4‧‧‧金屬皮膜
4A‧‧‧金屬皮膜
5‧‧‧接合材
6‧‧‧半導體元件
100‧‧‧電力模組
100A‧‧‧電力模組
102‧‧‧殼體
103‧‧‧引線端子
104‧‧‧框體
105‧‧‧散熱板
106‧‧‧滑酯
107‧‧‧密封樹脂
108‧‧‧冷卻器
200‧‧‧發光裝置
200A‧‧‧發光裝置
207‧‧‧密封樹脂
209‧‧‧外部連接配線
S‧‧‧內側空間
本發明之目的、特色、及優點應當會根據下述之詳細說明與圖式而變得更明確。
圖1係表示作為第1實施形態之一例之電力模組之構成的剖視圖。
圖2係表示作為第1實施形態之一例之發光裝置之構成的剖視圖。
圖3係表示作為第2實施形態之一例之電力模組之構成的剖視圖。
圖4係表示作為第2實施形態之一例之發光裝置之構成的剖視圖。
第1實施形態之陶瓷電路基板1具備陶瓷基板2、由Cu構成之導體層3、及被覆導體層3之金屬皮膜4。
陶瓷基板2係由陶瓷燒結體構成且用以搭載如電力元件或發光元件之發熱量相對較多之半導體元件的基板。陶瓷基板2具有較高之機械強度及較高之傳熱特性(冷卻特性)等特性。作為陶瓷燒結體，可使用公知之材料。作為公知之材料，例如可使用氧化鋁(Al2O3)燒結體、氮化鋁(AlN)燒結體及氮化矽(Si3N4)燒結體等。
陶瓷基板2可藉由公知之製造方法而製造。公知之製造方法係例如可藉由於氧化鋁等原料粉末中添加燒結助劑使之成形為基板狀之後進行焙燒而製造。
本實施形態之導體層3係由Cu(銅)構成，於陶瓷基板2之至少一表面上呈例如配線狀等圖案形狀而配設。導體層3係利用例如接合線等連接構件而與所搭載之半導體元件電性連接。進而，導體層3係與外部之電路等電性連接，且於半導體元件與外部之電路之間進行電力之傳輸、控制信號之傳輸。
由於半導體元件與導體層3電性連接，故而導體層3之至少一部分配設於陶瓷基板2之與半導體元件之搭載面相同之面。如此一來，保護半導體元件之密封樹脂將由Cu構成之導體層3之一部分與半導體元件一起覆蓋。
於半導體元件之發熱相對較大之情形時，在導體層3之表面，氧化皮膜(氧化銅皮膜)生長而膜厚增加，從而變得容易產生氧化皮膜內之破壞。密封樹脂有時會於覆蓋導體層3之部分因皮膜內破壞而接合強度降低。
導體層3可藉由印刷塗佈包含Cu粉末與黏合劑樹脂等之漿料並與陶瓷基板2同時焙燒形成金屬化層而形成。或者，導體層3可藉由於陶瓷基板2上接合Cu箔(Cu板)或於陶瓷基板2上形成Cu之鍍覆覆膜而形成。於印刷塗佈漿料之情形時，只要預先以應形成之圖案形狀進行印刷塗佈即可。於使用Cu箔(Cu板)之情形時，只要於整面接合後藉由蝕刻等進行圖案形成即可。於形成鍍覆覆膜之情形時，可利用薄膜或金屬化層形成底層，並以電解鍍覆形成或使用遮罩以無電解鍍覆形成。
於導體層3，設置有用以經由包含例如Ag之接合材5而搭載半導體元件6之搭載區域3a。本實施形態中，金屬皮膜4被覆導體層3之露出部分中之除搭載區域3a以外之部分。導體層3之除搭載區域3a以外之部分先前係密封樹脂與導體層3直接接觸而接合之部分，且係形成有氧化銅之皮膜之
部分。本實施形態中係將該部分利用包含以特定之金屬種類為主成分之材料之金屬皮膜4被覆。再者，金屬皮膜4只要被覆至少除搭載區域3a以外之部分即可，既可為如本實施形態般不被覆搭載區域3a之構成，亦可為如下述之第2實施形態般亦被覆搭載區域3a之構成。
金屬皮膜4包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。金屬皮膜4亦可為包含以選自由Ir、Rh、Pd及Pt所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料者。金屬皮膜4還可為包含以Pd為主成分之材料者。
於本實施形態中，所謂主成分係構成金屬皮膜4之材料中占90質量%以上之材料。本實施形態中，作為構成金屬皮膜4之材料，除主成分以外，亦可含有例如P(磷)、B(硼)等。
金屬皮膜4由於主成分為選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb所組成之群中之一種，故而於因所搭載之半導體元件6之發熱而成為高溫狀態之情形時，於金屬皮膜4之表面形成厚度相對較薄之作為氧化膜之鈍態膜，基本不存在膜生長(厚度不會增加)。進而，該較薄之鈍態膜係藉由與密封樹脂之氫鍵結而牢固地接合。
又，由Cu構成之導體層3被金屬皮膜4被覆，因此即便成為高溫狀態，亦不會產生Cu之氧化，從而不會於表面形成會成為接合強度降低之原因之氧化銅皮膜。因此，本實施形態之陶瓷電路基板1中，即便於搭載有半導體元件6且被予以樹脂密封之情形時，亦可提高陶瓷電路基板1與密封樹脂之接合強度。
分別準備不同之處僅在於金屬皮膜4之有無之陶瓷電路基板，進行樹脂密封之後，藉由拉伸試驗而測定密封樹脂之拉伸強度。設置有金屬皮膜
4之本實施形態之陶瓷電路基板1與未設置有金屬皮膜4之陶瓷電路基板相比，顯示出約2倍之拉伸強度。
金屬皮膜4只要能夠被覆導體層3之除搭載區域3a以外之部分，則用任何方法形成均可。例如，藉由濺鍍、蒸鍍等薄膜形成法、無電解鍍覆、電解鍍覆等鍍覆法於導體層3上形成皮膜即可。金屬皮膜4於包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb之中的Ir、Rh、Pd及Pt所組成之群中之1種或2種以上為主成分之材料的情形時，容易藉由與蒸鍍等相比為低成本且量產性優異之鍍覆法而形成。其等之中，尤其於包含以Pd為主成分之材料之情形時，藉由使用鍍覆法，能夠以更低之成本形成。又，金屬皮膜4可直接被覆由Cu構成之導體層3，亦可於與導體層3之間設置例如由Ni等構成之底層。
陶瓷基板2、導體層3及金屬皮膜4只要根據所要搭載之半導體元件之種類、陶瓷電路基板1所要組入之裝置之種類等，並按照所要求之特性，而適當設定其形狀、及厚度、寬度等尺寸即可。
作為一例，陶瓷基板2可為矩形板狀，且縱為2~60mm，橫為2~60mm，厚度為0.2~1.0mm。導體層3可為預先確定之圖案形狀，且厚度為0.01~4.0mm。金屬皮膜4可為與導體層3大致相同之形狀，且厚度為0.05~0.5μm。
用以將半導體元件6接合於導體層3之接合材5可作為釺料而塗佈於搭載區域3a之導體層3表面或金屬皮膜4表面。接合材5可使用遮罩等僅在搭載區域3a之導體層3表面或金屬皮膜4表面作為利用電解鍍覆形成之鍍覆層而形成。接合材5亦可於導體層3表面或金屬皮膜4表面之整體形成利用電解鍍覆形成之鍍覆層之後，以保留搭載區域3a之部分之方式進行蝕刻。
本實施形態中，上述之陶瓷電路基板1係搭載電力元件作為半導體元件6而構成電力模組者。本實施形態之電力模組具備：上述之陶瓷電路基板1、搭載於搭載區域3a之電力元件、收納陶瓷電路基板1與電力元件之殼體、及被填充至殼體內而將電力元件密封之密封樹脂。
圖1係表示作為第1實施形態之一例之電力模組100之構成的剖視圖。本例之電力模組100具備：殼體102，其具有內側空間S；引線端子103，其自內側空間S貫通殼體102而向外部導出；陶瓷電路基板1，其搭載有作為電力元件之半導體元件6；及密封樹脂107，其被填充至內側空間S。本例中，殼體102係由框體104、及封堵框體104之一開口之散熱板105所構成。由框體104與散熱板105所包圍之空間成為內側空間S。引線端子103貫通框體104。
電力模組100例如用於汽車等，使用於ECU(engine control unit，引擎控制單元)及動力輔助把手、馬達驅動器等各種控制單元。電力元件於此種控制單元中係用於進行電力控制之半導體元件。
陶瓷電路基板1例如為如下者：於陶瓷基板2利用包含活性金屬之活性釺料接合由厚度為0.3mm~0.8mm之Cu板構成之導體層3，且於導體層3之表面藉由無電解鍍覆形成以厚度為0.5μm~8μm之Ni為底層的厚度為0.05μm~0.5μm之Pd之金屬皮膜。
框體104係由樹脂材料、金屬材料或其等之混合材料構成，且由散熱板105封堵一開口而形成收納陶瓷電路基板1之內側空間S。作為框體104所用之材料，就散熱性、耐熱性、耐環境性及輕量性方面而言，可使用銅、鋁等金屬材料或聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)等樹脂
材料。其等之中，尤其PBT樹脂更易取得。又，PBT樹脂可為了增大機械強度而添加玻璃纖維以製成纖維強化樹脂。
引線端子103係以自內側空間S貫通框體104向外部導出之方式安裝的導電性之端子。該引線端子103之內側空間S側之端部係與陶瓷電路基板1之導體層3電性連接。引線端子103之外部側之端部係與外部之電子電路(未圖示)或電源裝置(未圖示)等電性連接。該引線端子103所用之各種金屬材料可使用例如Cu及Cu合金、Al及Al合金、Fe及Fe合金、不鏽鋼(SUS)等。
散熱板105係用以將動作時於電力元件產生之熱散發至電力模組100之外部者。該散熱板105可使用Al、Cu、Cu-W等高熱導性材料。尤其，Al與Fe等作為一般結構材料之金屬材料相比，熱導性較高。Al能夠將於電力元件產生之熱更有效率地散發至電力模組100之外部，因此能夠使電力元件穩定且正常地動作。又，Al與Cu或Cu-W等其他高熱導性材料相比較，容易取得且價格低廉，因此亦有利於電力模組100之低成本化。
散熱板105與陶瓷電路基板1既可利用釺料等牢固地接合，亦可利用滑酯等接合，進而，還可如下所述般利用密封樹脂107接合。
密封樹脂107係被填充至內側空間S以用於將搭載於陶瓷電路基板1之電力元件密封而予以保護者。可將陶瓷電路基板1與散熱板105之接合以及內側空間S之密封利用相同之密封樹脂107進行。於該情形時，能夠將陶瓷電路基板1與散熱板105之接合、及樹脂密封於同一步驟中進行。
對於密封樹脂107，就熱導性、絕緣性、耐環境性及密封性方面而言，可使用聚矽氧樹脂、環氧樹脂、酚樹脂等熱固性樹脂。
電力模組100亦可為了進一步提高散熱特性，而於散熱板105之與接
合有陶瓷電路基板1之側相反之側之露出面，經由滑酯106等接合冷卻片等冷卻器108。
藉由對電力模組100使用陶瓷電路基板1，能夠提高密封樹脂107之接合強度，從而能夠實現具有較高之可靠性之電力模組100。
本實施形態中，上述之陶瓷電路基板1係搭載發光元件作為半導體元件6而構成發光裝置者。本實施形態之發光裝置具備上述之陶瓷電路基板1、搭載於搭載區域3a之發光元件、及將發光元件密封之密封樹脂。
圖2係表示作為本實施形態之一例之發光裝置200之構成的剖視圖。本例之發光裝置200具備陶瓷電路基板1、搭載於陶瓷電路基板1之發光元件即半導體元件6、將發光元件密封之密封樹脂207、及外部連接配線209。
發光元件係LED(發光二極體)或LD(半導體雷射)等將光出射之半導體元件。密封樹脂207保護發光元件及導體層3、金屬皮膜4。密封樹脂207亦可具有將發光元件所產生之熱吸收及發散之功能、出射藉由包含螢光物質等而被自發光元件出射之光激發之螢光的波長轉換功能。密封樹脂207亦可藉由如本實施形態般形成為曲面狀而具有使出射之光聚焦或發散之光學透鏡功能等。密封樹脂207可使用例如聚矽氧樹脂、丙烯酸系樹脂、環氧樹脂等使自發光元件出射之光透過之透光性樹脂。陶瓷電路基板1之陶瓷基板2係具有凹部者，可於凹部底面之搭載區域3a搭載發光元件，且密封樹脂207覆蓋發光元件及導體層3、金屬皮膜4而填充至凹部內。
本例中，陶瓷電路基板1例如為如下者：於陶瓷基板2利用電解鍍覆形成由以薄膜形成底層且厚度為0.1m~0.5m之Cu構成之導體層3，並於
導體層3之表面利用電解鍍覆形成以厚度為0.5μm~8μm之Ni為底層的厚度為0.05μm~0.5μm之Pd之金屬皮膜4。又，陶瓷電路基板1為了與外部之電路等進行連接而具備外部連接配線209。外部連接配線209例如可將於厚度方向貫通陶瓷基板2而與導體層3連接之貫通導體、或連接於貫通導體之連接墊等適當組合。
藉由對發光裝置200使用陶瓷電路基板1，能夠提高密封樹脂207之接合強度，從而能夠實現具有較高之可靠性之發光裝置200。
第2實施形態之陶瓷電路基板1A具備陶瓷基板2、由Cu構成之導體層3、及被覆導體層3之金屬皮膜4A。
第2實施形態之陶瓷電路基板1A係除金屬皮膜4A之構成不同以外，與第1實施形態之陶瓷電路基板1相同，因此，以下對金屬皮膜4A進行說明，對於其他構成則省略詳細說明。
如上所述，第1實施形態之金屬皮膜4被覆導體層3之露出部分中之除搭載區域3a以外之部分。相對於此，本實施形態之金屬皮膜4A亦被覆搭載區域3a。即，本實施形態之金屬皮膜4A被覆導體層3之露出部分之整體。
半導體元件6經由包含Ag之接合材5而搭載於導體層3。包含Ag之接合材5具有氧透過性，於導體層3之表面，氧化皮膜(氧化銅皮膜)生長而膜厚增加，從而不易產生氧化皮膜內之破壞。接合材5有時於覆蓋導體層3之搭載區域3a亦會因皮膜內破壞而導致接合強度降低。
本實施形態中，藉由金屬皮膜4A亦被覆搭載區域3a，而使接合材5不
與導體層3接合，而與金屬皮膜4A接合。藉此，不會產生搭載區域3a之Cu之氧化，故不會於表面形成會成為接合強度降低之原因之氧化銅皮膜。因此，本實施形態之陶瓷電路基板1A中，除了能夠提高陶瓷電路基板1與密封樹脂之接合強度，亦能夠提高陶瓷電路基板1A與半導體元件6之接合強度。
本實施形態中，上述之陶瓷電路基板1A係搭載電力元件而構成電力模組者。圖3係表示作為第2實施形態之一例之電力模組100A之構成的剖視圖。電力模組100A具備：上述之陶瓷電路基板1A、搭載於搭載區域3a之電力元件(半導體元件6)、收納陶瓷電路基板1A與電力元件之殼體102、及被填充至殼體102內而將電力元件密封之密封樹脂107。
本例之電力模組100A除具備陶瓷電路基板1A以代替陶瓷電路基板1以外，與作為第1實施形態之一例之電力模組100相同，因此省略詳細說明。
藉由對電力模組100A使用陶瓷電路基板1A，能夠提高密封樹脂107之接合強度及半導體元件6之接合強度，從而能夠實現具有較高之可靠性之電力模組100A。
本實施形態中，上述之陶瓷電路基板1A係搭載發光元件而構成發光裝置者。圖4係表示作為本實施形態之一例之發光裝置200A之構成的剖視圖。發光裝置200A具備陶瓷電路基板1A、搭載於陶瓷電路基板1A之發光元件(半導體元件6)、將發光元件密封之密封樹脂207、及外部連接配線209。
本例之發光裝置200A除具備陶瓷電路基板1A以代替陶瓷電路基板1以外，與作為第1實施形態之一例之發光裝置200相同，因此省略詳細說明。
藉由對發光裝置200A使用陶瓷電路基板1A，能夠提高密封樹脂207之接合強度及發光元件之接合強度，從而能夠實現具有較高之可靠性之發光裝置200A。
本發明只要不脫離其精神或主要特徵則能以其他各種形態來實施。因此，上述之實施形態所有內容僅為例示，本發明之範圍係申請專利範圍所示者，並不受說明書本文任何約束。進而，屬於申請專利範圍之變化或變更均為本發明之範圍內者。
Claims (6)
- 一種電力模組，其特徵在於具備：陶瓷電路基板；電力元件，其搭載於搭載區域；殼體，其收納上述陶瓷電路基板與上述電力元件；及密封樹脂，其被填充至上述殼體內，將上述電力元件密封；上述陶瓷電路基板具備：陶瓷基板；由Cu構成之導體層，其具有供搭載電力元件之搭載區域，且配設於上述陶瓷基板之表面；底層，其被覆上述導體層之除上述搭載區域以外之區域，且包含Ni；金屬皮膜，其被覆上述底層，且包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、W、Ta及Nb所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料；及釺料，其配設於上述導體層之上述搭載區域。
- 如請求項1之電力模組，其中上述金屬皮膜包含以選自由Ir、Rh、Pd及Pt所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。
- 如請求項1之電力模組，其中上述金屬皮膜包含以Pd為主成分之材料。
- 一種發光裝置，其特徵在於具備：陶瓷電路基板；發光元件，其搭載於搭載區域；及密封樹脂，其將上述發光元件密封；上述陶瓷電路基板具備：由Cu構成之導體層，其具有供搭載發光元件之搭載區域，且配設於上述陶瓷基板之表面；底層，其被覆上述導體層之除上述搭載區域以外之區域，且包含Ni；及金屬皮膜，其被覆上述底層，且包含以選自由Ir、Rh、Pd、Pt、Al、Ti、w、Ta及Nb所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。
- 如請求項4之發光裝置，其中上述金屬皮膜包含以選自由Ir、Rh、Pd及Pt所組成之群中之1種或2種以上為主成分的材料。
- 如請求項4之發光裝置，其中上述金屬皮膜包含以Pd為主成分之材料。
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