JP2012134230A - Circuit board and electronic apparatus using the same - Google Patents
Circuit board and electronic apparatus using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012134230A JP2012134230A JP2010283268A JP2010283268A JP2012134230A JP 2012134230 A JP2012134230 A JP 2012134230A JP 2010283268 A JP2010283268 A JP 2010283268A JP 2010283268 A JP2010283268 A JP 2010283268A JP 2012134230 A JP2012134230 A JP 2012134230A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- circuit board
- metal body
- electronic component
- insulating substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4912—Layout
- H01L2224/49171—Fan-out arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73265—Layer and wire connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
- H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
- H01L2224/9222—Sequential connecting processes
- H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
- H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
- H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/14—Integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/30—Technical effects
- H01L2924/35—Mechanical effects
- H01L2924/351—Thermal stress
Abstract
Description
本発明は、電子部品が搭載される回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。 The present invention relates to a circuit board on which electronic components are mounted and an electronic device using the circuit board.
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、絶縁基板の上下両面に例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板および金属回路板が接合された回路基板が用いられる。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金属回路板に電気的に接続される。パワーモジュールに使用される電流は非常に高電力となるため、電子部品から発生する熱も大きく、この熱によるデバイスの誤動作あるいは破壊を防止するために、発生熱をいかに系外に放出するかが大きな問題になっており、絶縁基板の一方の表面に配線回路層を設け、絶縁基板の他方の表面に放熱板を設けて、他方の表面側に、銅を主成分とする導体が充填された複数のビア導体が配設し、ビア導体と放熱板とを接合することで、電子部品から放熱板への伝熱性を向上させたものがある(例えば、特許文献1を参照。)。
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 circuit board in which a metal plate made of, for example, copper or aluminum and a metal circuit board are bonded to both upper and lower surfaces of an insulating substrate is used. The electronic component is mounted on a metal plate and is electrically connected to the metal circuit plate by, for example, a bonding wire. Since the current used for the power module is very high power, the heat generated from the electronic components is large, and how to release the generated heat outside the system to prevent malfunction or destruction of the device due to this heat. It is a big problem, a wiring circuit layer is provided on one surface of the insulating substrate, a heat sink is provided on the other surface of the insulating substrate, and a conductor mainly composed of copper is filled on the other surface side. There is one in which a plurality of via conductors are arranged and the heat conductivity from the electronic component to the heat sink is improved by joining the via conductor and the heat sink (see, for example, Patent Document 1).
また、絶縁基板の上下面の金属板間での導通をとるためではあるが、絶縁基板の上下両面に金属板を接合させておき、これら金属板を絶縁基板に設けた貫通孔内に配置された金属体を介して接続することで、上下の金属板を接合した回路基板があり(例えば、特許文献2を参照。)、この金属体を伝熱経路として用いることが考えられる。 Moreover, although it is for taking electrical continuity between the metal plates on the upper and lower surfaces of the insulating substrate, the metal plates are bonded to the upper and lower surfaces of the insulating substrate, and these metal plates are disposed in the through holes provided in the insulating substrate. In addition, there is a circuit board in which upper and lower metal plates are joined by connecting via a metal body (see, for example, Patent Document 2), and it is conceivable to use this metal body as a heat transfer path.
しかしながら、従来の回路基板は、金属板の上に電子部品が搭載されるものであるため、例えば銅からなる金属板の熱膨張係数と電子部品の熱膨張係数との差が大きく、金属板の熱膨張係数と電子部品の熱膨張係数との差によって応力が発生し、電子部品にクラックや割れが発生してしまうという問題があった。 However, since a conventional circuit board has electronic components mounted on a metal plate, for example, the difference between the thermal expansion coefficient of a metal plate made of copper and the thermal expansion coefficient of an electronic component is large. There is a problem that stress is generated due to a difference between the thermal expansion coefficient and the thermal expansion coefficient of the electronic component, and the electronic component is cracked or cracked.
本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、電子部品にクラックや割れが発生することを防止して、電子部品から発生する熱の放散が良好な長期信頼性に優れた回路基板および電子装置を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above problems, and its purpose is to prevent occurrence of cracks and cracks in electronic components, and to provide long-term reliability with good heat dissipation from electronic components. An object is to provide an excellent circuit board and electronic device.
本発明の回路基板は、貫通孔を有する絶縁基板と、該絶縁基板の下面に前記貫通孔を塞ぐように取着されている金属板と、少なくとも一部分が前記貫通孔内に配置され前記絶縁基板の下面に取着された前記金属板に下端部が接合されており、電子部品が搭載される上端部を有している金属体と、少なくとも前記金属体の上端部の側面を囲むように内面が前記金属体の側面に接合されており、前記金属体よりも小さい熱膨張係数を有する枠体とを備えていることを特徴とするものである。 The circuit board according to the present invention includes an insulating substrate having a through hole, a metal plate attached to a lower surface of the insulating substrate so as to close the through hole, and at least a part of the metal substrate disposed in the through hole. A metal body having a lower end joined to the metal plate attached to the lower surface of the metal plate and having an upper end on which an electronic component is mounted, and an inner surface so as to surround at least a side surface of the upper end of the metal body Is joined to the side surface of the metal body and has a frame body having a smaller thermal expansion coefficient than the metal body.
また、本発明の回路基板は、上記構成において、前記金属体は、前記電子部品の搭載領
域の直下に位置することを特徴とするものである。
The circuit board according to the present invention is characterized in that, in the above configuration, the metal body is located immediately below a mounting region of the electronic component.
また、本発明の回路基板は、上記構成において、前記金属体の上面は、前記電子部品の搭載領域よりも大きいことを特徴とするものである。 Moreover, the circuit board of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the upper surface of the metal body is larger than a mounting area of the electronic component.
また、本発明の電子装置は、上記構成の本発明の回路基板と、該回路基板の前記金属板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とするものである。 An electronic device according to the present invention includes the circuit board according to the present invention configured as described above, and an electronic component mounted on the metal plate of the circuit board.
本発明の回路基板によれば、貫通孔を有する絶縁基板と、絶縁基板の下面に貫通孔を塞ぐように取着されている金属板と、絶縁基板の上面に取着されている金属回路板と、少なくとも一部分が貫通孔内に配置されて金属板に下端部が接合されている金属体と、少なくとも金属体の上端部の側面を囲むように内面が金属体の側面に接合されている、金属体よりも小さい熱膨張係数を有する枠体とを備えており、金属体と枠体とが接合されてなる複合体の上面に電子部品が搭載される搭載部を有していることから、例えば銅またはアルミニウム等の熱伝導率の高い材料を金属体に用いると、電子部品と絶縁基板の下面の金属板との間には高熱伝導率の金属体のみからなる伝熱経路が形成されるので、電子部品から発生する熱を効率よく外部に放散することが可能となる。また、金属体よりも熱膨張係数の小さい枠体を備えることによって、電子部品と金属体との熱膨張係数の差による熱応力の発生が抑制され、電子部品にクラックや割れが発生することが有効に防止され、長期信頼性に優れた回路基板を提供することが可能となる。 According to the circuit board of the present invention, an insulating substrate having a through hole, a metal plate attached to the lower surface of the insulating substrate so as to close the through hole, and a metal circuit plate attached to the upper surface of the insulating substrate A metal body having at least a portion disposed in the through hole and having the lower end joined to the metal plate, and an inner surface joined to the side of the metal body so as to surround at least the side of the upper end of the metal body. A frame body having a smaller coefficient of thermal expansion than the metal body, and since it has a mounting portion on which an electronic component is mounted on the upper surface of the composite body formed by joining the metal body and the frame body, For example, when a material having high thermal conductivity such as copper or aluminum is used for the metal body, a heat transfer path composed of only the metal body having high thermal conductivity is formed between the electronic component and the metal plate on the lower surface of the insulating substrate. Therefore, heat generated from electronic components is efficiently dissipated to the outside. Rukoto is possible. In addition, by providing a frame having a smaller thermal expansion coefficient than the metal body, the generation of thermal stress due to the difference in the thermal expansion coefficient between the electronic component and the metal body is suppressed, and cracks and cracks may occur in the electronic component. It is possible to provide a circuit board that is effectively prevented and has excellent long-term reliability.
本発明の回路基板および電子装置について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図1〜図10に示す例において、1は絶縁基板、2,2aはろう材、3は絶縁基板1の下面に貫通孔を塞ぐように取着された金属板、4は絶縁基板1の上面に取着された金属回路板、5は金属板3に下端部が接合されている金属体、6は内面が金属体の側面に接合された枠体である。図1に示す例では、ろう材2によって複数の金属回路板4が絶縁基板1の上面に接合され、絶縁基板1の下面には金属板3が接合されている。絶縁基板1には上下に貫通する貫通孔が設けられており、枠体6の内側には金属体5が配置され、枠体6の内面と金属体5の側面とが接合されている。そして、金属体5と枠体6とからなる複合体の下面は、絶縁基板1の下面に位置する金属板3に、ろう材2を介してそれぞれ接合されて回路基板10が構成されている。この回路基板10の複合体の上面にある搭載部にダイボンド材7を介して電子部品20を搭載し、電子部品20を複数のボンディングワイヤ8によって金属回路板4に電気的に接続して電子装置を構成した例を示している。
The circuit board and electronic device of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 10, 1 is an insulating substrate, 2 and 2a are brazing materials, 3 is a metal plate attached to the lower surface of the
本発明の回路基板10は、図1(a),(b)に示す例のように、貫通孔を有する絶縁基板1と、絶縁基板1の下面に貫通孔を塞ぐように取着されている金属板3と、絶縁基板1の上面に取着されている金属回路板4と、少なくとも一部分が貫通孔内に配置されて金属板3に下端部が接合されている金属体5と、少なくとも金属体5の上端部の側面を囲むように内面が金属体5の側面に接合されている、金属体5よりも小さい熱膨張係数を有する枠体6とを備えており、金属体5と枠体6とが接合されてなる複合体の上面に電子部品20が搭載される搭載部を有していることを特徴とするものである。このような構成としたことから、例えば銅またはアルミニウム等の熱伝導率の高い材料(銅の熱伝導率:395W/
m・K、アルミニウムの熱伝導率:240W/m・K)を金属体5に用いると、電子部品20
と絶縁基板1の下面の金属板3との間には高熱伝導率の金属体5のみからなる伝熱経路が形成されるので、電子部品20から発生する熱を効率よく外部に放散することが可能となる。また、電子部品20から発生する熱を効率よく外部に放散できるため、この熱による電子部品20の誤動作あるいは破壊を防止することが可能となる。また、金属体5よりも熱膨張係数の小さい枠体6を備えることによって、電子部品20と金属体5との熱膨張係数の差による熱応力の発生が抑制され、電子部品20にクラックや割れが発生することが有効に防止され、長期信頼性に優れた回路基板10を提供することが可能となる。
The
If m · K, aluminum thermal conductivity: 240 W / m · K) is used for the
And a
なお、銅−タングステンからなる金属体はタングステン粉体を所定温度にて焼結させたタングステン焼結体に溶融銅を含浸させることによって製作されたものであり、銅とタングステンがほぼ均一に混在する構造のものであった。そのため、銅とタングステンの比率によって絶縁基板と金属柱との間の熱膨張係数の差を小さくすることはできるものの、熱伝導率は約200W/m・Kと銅(熱伝導率:395W/m・K)等と比べるとあまり大きいとは言えるものではない。 The metal body composed of copper-tungsten is manufactured by impregnating molten copper into a tungsten sintered body obtained by sintering tungsten powder at a predetermined temperature, and copper and tungsten are mixed almost uniformly. It was of structure. Therefore, although the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate and the metal column can be reduced by the ratio of copper and tungsten, the thermal conductivity is about 200 W / m · K and copper (thermal conductivity: 395 W / m・ It cannot be said that it is much larger than K).
絶縁基板1は、略四角形状であり、金属板3および金属回路板4を支持する支持部材として機能する。絶縁基板1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。絶縁基板1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3および金属回路板4を用いたとしても絶縁基板1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10を実現することができる。
The
絶縁基板1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の大きさや用いる材料の熱伝導率や強度に応じて選択すればよい。
The thinner insulating
絶縁基板1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1,600〜2,000℃の温度で焼成することによって製作される。
If the insulating
絶縁基板1は、金属体5および枠体6が配置される貫通孔を有している。この貫通孔は、上記のセラミックグリーンシートに金型による打ち抜き加工等によってあらかじめ孔加
工しておくことで形成することができる。このとき、貫通孔の形状は、内部に配置する金属体5および枠体6の外形形状に沿った形状とすればよいが、図2(b)に示す例のように、例えば四角形状である場合には、その角部を丸めた形状とするのが好ましい。このようにすることで、絶縁基板1と金属体5および枠体6との熱膨脹差に起因する応力によって角部からクラックが発生する可能性を低減することができる。
The insulating
ろう材2は、金属板3および金属回路板4ならびに金属体5を絶縁基板1に接合する接合材としての機能を有する。
The
ろう材2用のろう材ペーストは、例えば金属板3および金属回路板4が銅からなる場合、銀および銅粉末,銀−銅合金粉末,またはこれらの混合粉末からなる銀ろう材(例えば、銀:72質量%−銅:28質量%)粉末に、チタン,ハフニウム,ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して2〜5質量%添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。銀ろう材の接合温度は780℃〜900℃であり、接合温度またはろう材の硬度を低下させる目的でインジウム(In)またはスズ(Sn)を1〜10質量%程度添加しても良い。
For example, when the
ろう材2用のろう材ペーストは、例えば金属板3および金属回路板4がアルミニウムからなる場合は、銀ろう材に替えてアルミニウムろう材(例えば、アルミニウム:88質量%−シリコン:12質量%)を用いればよい。この場合も同様にして活性金属入りろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。アルミニウムろう材を使用した場合には、銀ろう材より低温の約600℃で接合することができる。
For example, when the
金属板3は、絶縁基板1の下面に取着され、電子部品20から発生する熱を伝えるための伝熱板として機能する。金属回路板4は、絶縁基板1の上面に取着され、複数のボンディングワイヤ8によって電子部品20に電気的に接続される。
The
金属板3および金属回路板4は、銅またはアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット(塊)に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜1mmの平板状で所定パターンに形成される。絶縁基板1の上面の金属回路板4は、絶縁基板1と同程度の大きさおよび形状の金属部材を絶縁基板1に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工すると、高精度で精細なパターンを形成できるようになる。絶縁基板1の下面の金属板3は、図1(b)に示す例のように、絶縁基板1の下面のほぼ全面に形成され、回路基板10に搭載された電子部品20の放熱性を高めるようにするのが好ましい。
The
金属板3および金属回路板4が銅からなる場合は、無酸素銅によって形成されていることが好ましい。無酸素銅によって形成されていると、金属板3,金属回路板4と絶縁基板1または複合体との接合を行なう際に、銅の表面が銅中に存在する酸素によって酸化されることが低減され、ろう材2との濡れ性が良好となるので、金属板3および金属回路板4と絶縁基板1または複合体との接合強度が向上される。
When the
金属板3および金属回路板4となる金属部材と絶縁基板1との接合は、金属部材および絶縁基板1の少なくとも一方における接合面にスクリーン印刷等でろう材ペーストを例えば30〜50μmの厚さで所定パターンに印刷塗布して、所定の構造となるように金属部材によって絶縁基板1を挟んだ後、金属部材に5〜10kPaの荷重をかけながら真空中または非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、ろう材ペーストの有機溶剤,溶
媒および分散剤を気体に変えて発散させるとともに、ろう材2を溶融させることによって行なわれる。
The metal member to be the
金属部材を絶縁基板1に接合した後に、金属部材をエッチングによって金属板3および金属回路板4の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のようにする。絶縁基板1の上に接合された金属部材の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えば金属部材が銅板である場合であれば、塩化第2鉄または塩化第2銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属板3および金属回路板4の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。金属部材がアルミニウムからなる場合、エッチング液の例は、リン酸、硝酸、酢酸および水を含む混酸である。
When the metal member is bonded to the insulating
ここで、金属回路板4を所定パターン形状に加工する場合に、絶縁基板1の貫通孔内にはエッチング液が進入するが、金属板3となる金属部材の貫通孔内にあたる部分に予め銅に比べてエッチングされにくい高熱伝導材料、例えば銀ろう材を形成しておくことで、金属板3の貫通孔内の部位がエッチング液で侵食されることを防ぐことができる。
Here, when the metal circuit board 4 is processed into a predetermined pattern shape, the etching solution enters the through hole of the insulating
金属体5は、絶縁基板1に形成された貫通孔内に配置され、絶縁基板1の下面に取着された金属板3に下端部が接合されている。金属体5は、電子部品20に大電流が流れて大量の熱が発生した際の電子部品20からの熱を外部に放熱する機能を有する。
The
金属体5の材料は、放熱性の観点から、熱伝導率の高い金属材料が用いられ、例えば銅やアルミニウム等の高熱伝導率の金属材料が好適に用いられる(銅の熱伝導率:395W/
m・K、アルミニウムの熱伝導率:240W/m・K)。
As the material of the
m · K, thermal conductivity of aluminum: 240 W / m · K).
金属体5の平面視の形状は、四角形等の多角形状や円形状である。金属体5は、例えば、銅からなる場合、銅のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法、引き抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に形成される。
The shape of the
枠体6は、少なくとも金属体5の上端部の側面を囲むように内面が金属体5の側面に接合されており金属体5よりも小さい熱膨張係数を有する。
The inner surface of the
枠体6が金属材料からなる場合であれば、例えばニッケル(Ni),鉄(Fe),モリブデン(Mo),タングステン(W),クロム(Cr),チタン(Ti)等が挙げられ、これらを含む合金であってもよい。例えば、Cu−W合金であってもよい。これら金属材料の中では熱伝導性(放熱性)の観点からはモリブデン(Mo),タングステン(W),クロム(Cr)が好ましい。枠体6が金属材料からなる場合、枠体6は、例えば枠体6の厚みの金属部材をプレスやエッチング等の従来周知の方法で加工することで作製することができる。枠体6がCu−W合金からからなる場合であれば、W粉末を焼結させて粉体間の隙間に溶融したCuを含浸させる方法で作製することができ、所定形状への加工は、Cu−W合金を切削加工するなどしてもよいし、W粉末の焼結体を作製する際に所定形状の型を用いてもよい。
In the case where the
枠体6がセラミック材料からなる場合であれば、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,窒化ケイ素質セラミックス等が挙げられる。これらセラミック材料の中では熱伝導性(放熱性)の観点からは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、強度の点からは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。枠体6がセラミック材料からなる場合、枠体5は絶縁基板1と同様にしてグリーンシート積層体を作製したのちに所定形状に加工しておくことで作製することができる。あるいは、原料粉末と有機バインダーを加えたものを所定形状の型を用いて生成型体を作製してこれを焼成することによって作製してもよい。
When the
枠体6の形状は、少なくとも金属体5の上端部の側面を囲むように内面が金属体5の側面に接合されることから、金属体5の平面視形状の穴を有する枠状のものである。
The shape of the
本発明の回路基板10は、電子部品20が、金属体5の上面と枠体6の上面とを跨ぐように金属体5と枠体6との複合体の上面内に位置してよいが、図2に示す例のように、上記構成において、金属体5の上面が電子部品20の搭載領域よりも大きいことが好ましい。言い換えると、電子部品20が搭載される搭載部は複合体の上面のうち金属体5の上面内に位置することが好ましい。このような構成としたときには、金属体5の上面が電子部品20の搭載領域よりも大きいことで電子部品20で発生した熱は横方向へも拡散しながら金属体5へ伝わるようになるので、金属体5を介してより効率よく放熱することが可能となる。
The
金属体5は、金属板3に接合した後に、その表面に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう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くと、金属体5に半導体素子等の電子部品20を半田等のダイボンド材7を介して強固に接着させることができる。また、金属体5とともに金属板3や金属回路板4にも同様にその表面に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう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くと、金属板3や金属回路板4と外部電気回路(図示せず)との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を8〜15質量%含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルからなるめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が8質量%以上15質量%以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルからなるめっき層は、その厚みが1.5μm以上であると、金属板3、金属回路板4、金属体5の表面を被覆しやすく、金
属板3、金属回路板4、金属体5の酸化腐蝕を抑制することができる。また、10μm以下であると、特に絶縁基板の厚さが300μm未満の薄いものになった場合には、めっき層の
内部に内在する内在応力を低減させることができ、金属板3および金属回路板4に生じる反り、およびそれによって生じる絶縁基板1の反りまたは割れ等を抑制することができる。
After the
図3に示す例では、金属体5の外形と同じ外形の枠体6が金属体5の上端部の側面に接合されるよう、金属体5の上端部の周辺を切り欠いており、枠体6が、金属体5の上端部の側面を囲むように内面が金属体5の側面に接合されている。これにより、金属体5と枠体6の複合体の上面の熱膨脹係数が電子部品20の熱膨脹係数に近いものとなって、電子部品20にクラックや割れが発生することが有効に防止される。また、金属体5の下端部の熱膨脹係数が金属板3の熱膨脹係数に近いものとなって、接続信頼性が高いものとなる。
In the example shown in FIG. 3, the periphery of the upper end portion of the
図4に示す例では、枠体6の外面が貫通孔の内壁面にろう材2を介して接合され内面が金属体5の側面に接合されている。これにより、絶縁基板1と枠体6および金属体5との接続が強固となるとともに、金属体5と枠体6との複合体の熱膨脹係数が絶縁基板1および電子部品20の熱膨脹係数に近いものとなって、絶縁基板1および電子部品20と金属体5との熱膨張係数の差による熱応力の発生が抑制され、絶縁基板1にクラックや割れが発生することが有効に防止される。
In the example shown in FIG. 4, the outer surface of the
図5に示す例は、金属板3と金属体5との接合に金属板3と絶縁基板1との接合に用いるろう材2とは異なるろう材2aを用いた例である。例えば、活性金属を含まないろう材2aを用いる場合は、活性金属を含有するろう材2に比べてわずかではあるが熱伝導率が高いので、電子部品20で発生した熱の金属体5および枠体6の複合体を介しての放熱性がより向上するので好ましい。活性金属を含有するろう材2を用いると、その製造工程がより簡略化されるので好ましい。また、ろう材2aとして、金属板3と絶縁基板1と接続し
ているろう材2より融点の低いろう材2aを用いて金属板3と金属体5とを接続する場合には、予め接続している金属板3や金属回路板4がずれることなく後から金属体5を接続できるので工程の自由度が増え好ましい。
The example shown in FIG. 5 is an example in which a brazing material 2 a different from the
活性金属を含まないろう材2aに用いられるろう材ペーストは、例えば金属板3および金属回路板4が銅からなる場合、銀および銅粉末,銀−銅合金粉末,またはこれらの混合粉末からなる銀ろう材(例えば、銀:72質量%−銅:28質量%)粉末に、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。また、例えば金属板3および金属回路板4がアルミニウムからなる場合は、銀ろう材に替えてアルミニウムろう材(例えば、アルミニウム:88質量%−シリコン:12質量%)を用いればよい。
For example, when the
図6に示す例では、金属体5の縦断面形状は、金属体5の側面が下側に漸次広がるような台形状である。図7に示す例は、枠体6の外面も金属体5の側面に沿うように傾斜しており、図8に示す例は、金属体5の側面および枠体6の内面に、金属体5と枠体6とがかみ合うような段差部がそれぞれ設けられている。図6〜8に示す例では、金属体5の横断面積が電子部品20の搭載部から離れるに従って漸次大きくなっていることから、電子部品20で発生した熱は、金属体5内において横方向にも拡散するので、下面の放熱用の金属板3へと伝熱し、さらには外部へと効率よく放熱するが可能となる。
In the example shown in FIG. 6, the vertical cross-sectional shape of the
図6に示す例では、上方の絶縁基板1の上面側の方が熱膨脹係数の小さい枠体6の割合が多いので、金属体5と枠体6との複合体である放熱部材は、上側の方が熱膨脹係数が小さくなる。上側の金属体5の上端部には電子部品20が搭載され、電子部品20の熱膨脹係数は小さいので、電子部品20と対向する金属体5と枠体6との複合体の熱膨脹係数は小さい方が、上方の電子部品20と金属体5との接合信頼性は高いものとなる。また、金属体5と枠体6との複合体の下側は、下側の金属板3と熱膨脹係数が近くなるので、この間の接合信頼性も高いものとなる。
In the example shown in FIG. 6, since the upper surface side of the upper insulating
図7に示す例では、枠体6の内面および外面が平行に傾斜していることにより、枠体6の横方向の厚みが均一となり、枠体6とろう材2とを接合させた際、枠体6に作用する応力が均一となり、枠体6に部分的にクラックや割れが発生することを有効に防止することが可能となる。
In the example shown in FIG. 7, since the inner surface and the outer surface of the
図8に示す例では、金属体5の側面および枠体6の内面に形成された段差部によって、金属体5と枠体6とがかみあうことにより、金属体5と枠体6との接合の際、容易に位置決めすることができ、金属体5と枠体6とを位置ずれなく強固に接合することが可能となる。
In the example shown in FIG. 8, the
枠体6と金属体5との接合は、例えば、図9に示す例のように、接合材9を用いて行えばよい。接合材9に用いられる接合ペーストは、活性金属を含まないろう材2a用のろう材ペーストと同様のものを用いることができるが、ろう材組成や添加物を適宜調整することによって、溶融温度をろう材2の溶融温度より高くすることが好ましい。これにより、絶縁基板1に金属体5および枠体6を接合する際、接合材9の再溶融による金属体5と枠体6との位置ずれを低減することが可能となる。
What is necessary is just to perform joining of the
金属体5と枠体6との接合は、接合材9用の接合ペーストを金属体5の側面にディスペンサー等の塗布装置を用いて塗布して乾燥させ、内面がこの接合ペーストに接するように枠体6を配置し、加熱して接合材9が溶融させることによって接合する。枠体6の内面に接合材9用の接合ペーストを塗布してもかまわない。
The
接合材9用の接合ペーストは、枠体6がセラミック材料からなる場合、活性金属を含むろう材2用のろう材ペーストと同様のものを用いると、枠体6の内面にメタライズ層を形成する必要が無く、工程を短縮できるので好ましい。
When the
また、枠体6をCu−W合金とし金属体5をCuとする場合であれば、枠体6の形状に形成したW粉末を焼結させて粉体間の隙間に溶融したCuを含浸させるとともに、枠の内部を溶融したCuで充填する方法でも作製することができる。
If the
また、常温で金属体5の外径を枠体6の内径より僅かに大きく作成し、金属体5を冷却して収縮させた状態で、あるいは、枠体6を加熱して膨張させ状態で、枠体6に金属体5はめ込むことによっても作製することもできる。
Further, the outer diameter of the
金属体5と枠体6の体積比率によって金属体5と枠体6との複合体の熱膨脹係数が定まる。よって、この複合体の熱膨脹係数が電子部品20の熱膨脹係数に近いものとなるようにすることで、電子部品20にクラックや割れを発生させる可能性を低減することができる。
The thermal expansion coefficient of the composite of the
例えば、金属体5を直径が5.9mmの銅(熱膨張係数:4.5×10-6/K、熱伝導率:395
W/m・K)で作成した円柱形状とし、枠体6を内径が6mm、外形が10mmのタングステン(熱膨張係数:4.5×10-6/K、熱伝導率:167W/m・K)で作成した円筒形状として、接合材9として銀ろうを用いて接合した場合には、複合体の熱膨張係数はほぼ6.5×10-6/Kとなり、アルミナ質セラミックスの熱膨張係数とほぼ同じ熱膨張係数となる。こ
のときの複合体の熱伝導率は約250W/m・Kとなる。従来のタングステン粉末の焼結体
に溶融した銅を含浸させることによって製作した複合体でも、銅とタングステンの割合が同じであれば、同様の熱伝導率となる。しかしながら、本発明のような構成の複合体であれば、上下の金属板3間には銅のみからなる金属体5が存在し、この部分の熱伝導率は395W/m・Kと高いものであり、電子部品20で発生した熱はこの熱伝導率の高い金属体5
内を伝導するので、より放熱性の高いものとなる。
For example, the
W / m · K), and the
Since the inside is conducted, the heat dissipation is higher.
絶縁基体1の貫通孔と予め金属部材に形成された貫通孔とが平面視で重なるように絶縁基板1の上面に金属部材をろう材2で接合するときに、同時に絶縁基体1の貫通孔内の露出した金属板3に金属体5と枠体6との複合体をろう材2で接続する。もしくは、既に金属回路板4を形成済の絶縁基板1の貫通孔内の露出した金属板3に後から金属体5および枠体6の複合体をろう材2で接合することで、本発明の回路基板となる。
When the metal member is joined to the upper surface of the insulating
本発明の電子装置は、図1(a),(b)に示す例のように、上記構成の本発明の回路基板10と、回路基板10の金属体5と枠体6とが接合されてなる複合体の上面にある搭載部に搭載された電子部品20とを備えていることを特徴とするものである。このような構成としたことから、放熱性に優れ、絶縁基板1にクラックや割れが発生することが有効に防止された、長期信頼性に優れた電子装置を提供することが可能となる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the electronic device according to the present invention includes the
電子部品20は、絶縁基板1の上面の金属体5と枠体6とが接合されてなる複合体の上面にある搭載部にダイボンド材7を介して固定されており、複数のボンディングワイヤ8によって金属回路板4に電気的に接続されている。ダイボンド材7は、例えば、金属接合材または導電性樹脂からなる。金属接合材は、例えば、半田、金−スズ(Au−Sn)合金、またはスズ−銀−銅(Sn−Ag−Cu)合金等である。電子部品20は、例えば、トランジスタ、CPU(Central Processing Unit)用のLSI(Large Scale Integrated circuit)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)等の半導体素子である。
The
図10は、本発明の電子装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。図10に示す例は
、絶縁基板1に形成されたメタライズ層11を有する電子装置であり、具体的には、絶縁基板1の両面および貫通孔の内壁面に形成された複数のメタライズ層11を備えている。メタライズ層11は、焼成によって絶縁基板1と一体的に形成されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the embodiment of the electronic device of the present invention. The example shown in FIG. 10 is an electronic device having a metallized layer 11 formed on an insulating
絶縁基板1の下面に形成された金属板3および絶縁基板1の上面の複数の金属回路板4は、絶縁基板1の両面に形成されたメタライズ層11にろう材2を介してそれぞれ接合されている。回路基板10がメタライズ層11を有する場合、ろう材2は前述した活性金属を含まないものを用いることができる。
The
1・・・・・絶縁基板
2,2a・・ろう材
3・・・・・金属板
4・・・・・金属回路板
5・・・・・金属体
6・・・・・枠体
7・・・・・ダイボンド材
8・・・・・ボンディングワイヤ
9・・・・・接合材
10・・・・・回路基板
11・・・・・メタライズ層
20・・・・・電子部品
DESCRIPTION OF
10 Circuit board
11 ・ ・ ・ ・ ・ Metalized layer
20 ・ ・ ・ ・ ・ Electronic components
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010283268A JP2012134230A (en) | 2010-12-20 | 2010-12-20 | Circuit board and electronic apparatus using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010283268A JP2012134230A (en) | 2010-12-20 | 2010-12-20 | Circuit board and electronic apparatus using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012134230A true JP2012134230A (en) | 2012-07-12 |
Family
ID=46649509
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010283268A Pending JP2012134230A (en) | 2010-12-20 | 2010-12-20 | Circuit board and electronic apparatus using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012134230A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021019149A (en) * | 2019-07-23 | 2021-02-15 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59214245A (en) * | 1983-05-20 | 1984-12-04 | Nec Corp | Semiconductor device |
JPH08335782A (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-17 | Nippondenso Co Ltd | Multilayer board |
JPH11191603A (en) * | 1997-12-26 | 1999-07-13 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor integrated circuit and its manufacture |
-
2010
- 2010-12-20 JP JP2010283268A patent/JP2012134230A/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59214245A (en) * | 1983-05-20 | 1984-12-04 | Nec Corp | Semiconductor device |
JPH08335782A (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-17 | Nippondenso Co Ltd | Multilayer board |
JPH11191603A (en) * | 1997-12-26 | 1999-07-13 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor integrated circuit and its manufacture |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021019149A (en) * | 2019-07-23 | 2021-02-15 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device |
JP7262334B2 (en) | 2019-07-23 | 2023-04-21 | 三菱電機株式会社 | semiconductor equipment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6018297B2 (en) | Composite laminate and electronic device | |
EP3605604B1 (en) | Power module and method for manufacturing power module | |
JP2012074591A (en) | Circuit board and electronic divice | |
JP5902557B2 (en) | Multilayer wiring board and electronic device | |
JP5960522B2 (en) | Ceramic circuit board and electronic device using the same | |
JP2012084786A (en) | Led package | |
JP5665479B2 (en) | Circuit board and electronic device | |
JP5812882B2 (en) | Wiring board and electronic device | |
JP6046421B2 (en) | Wiring board and electronic device | |
JP6317178B2 (en) | Circuit board and electronic device | |
JP2012134230A (en) | Circuit board and electronic apparatus using the same | |
JP6983119B2 (en) | Heat dissipation plate, semiconductor package and semiconductor device | |
JP2011171349A (en) | Wiring board and electronic device using the same | |
JP2007324182A (en) | Wiring board and electronic device | |
JP2015144257A (en) | Circuit board and manufacturing method thereof | |
JP2013229377A (en) | Circuit board and electronic apparatus using the same | |
JP6166094B2 (en) | Wiring board and electronic device | |
JP2013012687A (en) | Ceramic circuit board and electronic device using the same | |
JP2008004760A (en) | Wiring board and electronic device | |
JP2013045900A (en) | Wiring board | |
JP5777456B2 (en) | Ceramic circuit board and electronic device | |
JP5865921B2 (en) | Circuit board and electronic device using the same | |
JP2014022514A (en) | Substrate for mounting electronic element and electronic device using the same | |
JP2016032032A (en) | Circuit board and electronic device | |
JP2012084832A (en) | Circuit board and electronic device using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131015 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141029 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141111 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150106 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20150428 |