JP2017092211A - Circuit board and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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 and an electronic device using the circuit board.
従来から、たとえばパワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の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、絶縁基板の上面に、回路パターン状に形成された銅製の回路板が接合され、下面に、回路板に搭載された電子部品から発生する熱を放熱させるための銅製の放熱板が接合されたものが用いられている。回路板および放熱板は、活性金属を含むろう材等によって絶縁基板の上面または下面に接合されている（例えば、特許文献１参照）。
Conventionally, as a circuit board used for an electronic device in which electronic parts such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) such as a power module or a switching module are mounted, a copper pattern formed in a circuit pattern on an upper surface of an insulating substrate. A circuit board is joined, and a copper heat radiating plate for radiating heat generated from electronic components mounted on the circuit board is joined to the lower surface. The circuit board and the heat sink are joined to the upper surface or the lower surface of the insulating substrate by a brazing material containing an active metal (see, for example, Patent Document 1).
一般的に、上記のような回路基板においては、放熱板の厚みは、回路板の厚みと同じ程度、または若干薄くなるように設定されている。これは、絶縁基板の上面と下面とで発生する応力を同程度にして反りを抑えるためである。 Generally, in the circuit board as described above, the thickness of the heat sink is set to be the same as or slightly thinner than the thickness of the circuit board. This is to suppress warpage by making the stress generated on the upper and lower surfaces of the insulating substrate approximately the same.
上記のような回路基板において、回路板に搭載された電子部品から発生する熱をより効果的に放熱するために、回路板および放熱板の厚みを厚く、たとえば放熱板と回路板との合計の厚みをより厚くすることが要求されている。しかしながら、回路板および放熱板の厚みを厚くすると、絶縁基板の表面部に、より大きな引張り応力が加わりやすくなり、回路板および放熱板と絶縁基板とを接合する際の加熱後の冷却過程において、あるいは、回路基板を用いた電子装置の動作に起因する発熱による温度変化によって、絶縁基板が割れてしまうという問題がある。 In the circuit board as described above, in order to dissipate the heat generated from the electronic components mounted on the circuit board more effectively, the thickness of the circuit board and the heat sink is increased, for example, the total of the heat sink and the circuit board. It is required to increase the thickness. However, when the thickness of the circuit board and the heat sink is increased, a larger tensile stress is easily applied to the surface portion of the insulating substrate, and in the cooling process after heating when joining the circuit board and the heat sink and the insulating substrate, Alternatively, there is a problem that the insulating substrate breaks due to a temperature change due to heat generated due to the operation of the electronic device using the circuit board.
本発明の１つの態様の回路基板は、上面および下面を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の前記上面に第１ろう材を介して接合された金属製の回路板と、前記絶縁基板の前記下面に第２ろう材を介して接合された金属製の放熱板とを有し、前記放熱板の厚みが前記回路板の厚みの３．７５倍以上であり、前記第１ろう材は、少なくとも該第１ろう材の外周部における熱膨張係数が前記第２ろう材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。 A circuit board according to one aspect of the present invention includes an insulating substrate having an upper surface and a lower surface, a metal circuit board bonded to the upper surface of the insulating substrate via a first brazing material, and the lower surface of the insulating substrate. And a heat sink made of metal joined via a second brazing material, and the thickness of the heat sink is at least 3.75 times the thickness of the circuit board, and the first brazing material has at least the The thermal expansion coefficient in the outer periphery of the first brazing material is larger than the thermal expansion coefficient of the second brazing material.
本発明の１つの態様の電子装置は、上記構成の回路基板と、該回路基板の前記回路板に搭載された電子部品とを含むことを特徴とする。 An electronic device according to an aspect of the present invention includes the circuit board having the above configuration and an electronic component mounted on the circuit board of the circuit board.
本発明の一つの態様による回路基板によれば、絶縁基板の上面に接合された回路板の厚みを薄くすることにより、絶縁基板の下面に接合された放熱板の温度に対する伸縮による回路基板の変形に対して、回路板が塑性変形により小さな荷重で追従するので、絶縁基板に加わる応力を抑制することができる。また、放熱板の厚みを厚くすることにより、放熱板の剛性が高くなる。 According to the circuit board according to one aspect of the present invention, the thickness of the circuit board bonded to the upper surface of the insulating substrate is reduced, whereby the deformation of the circuit board due to the expansion and contraction with respect to the temperature of the heat sink bonded to the lower surface of the insulating substrate. On the other hand, since the circuit board follows with a small load due to plastic deformation, the stress applied to the insulating substrate can be suppressed. Moreover, the rigidity of a heat sink becomes high by making the thickness of a heat sink thick.
また、回路板と絶縁基板とを接合している第１ろう材は、少なくともその外周部におけ
る熱膨張係数が、放熱板と絶縁基板とを接合している第２ろう材の熱膨張係数よりも大きいため、回路基板の外周部を反らせようとする力が生じる。この力は、放熱板と、放熱板よりも熱膨張係数が小さい絶縁基板との間に生じる熱応力と逆方向になる。そのため、これらの力が互いに打ち消し合い、回路基板全体に反りが生じる可能性が効果的に低減されている。したがって、回路基板全体の反りに起因する絶縁基板のクラック等の機械的な破壊が効果的に抑制された、長期信頼性の高い電子装置を製作することが可能な回路基板を提供することができる。
Further, the first brazing material joining the circuit board and the insulating substrate has a thermal expansion coefficient at least at the outer peripheral portion thereof that is higher than the thermal expansion coefficient of the second brazing material joining the heat radiating plate and the insulating substrate. Since it is large, a force is generated to warp the outer periphery of the circuit board. This force is in the opposite direction to the thermal stress generated between the heat sink and the insulating substrate having a smaller thermal expansion coefficient than the heat sink. Therefore, the possibility that these forces cancel each other and the entire circuit board is warped is effectively reduced. Therefore, it is possible to provide a circuit board capable of manufacturing an electronic device with high long-term reliability in which mechanical destruction such as cracks of the insulating substrate due to warpage of the entire circuit board is effectively suppressed. .
本発明の一つの態様による電子装置によれば、上述の回路基板を有することから、電子部品から発生する熱を効果的に放熱することができるとともに、信頼性の高い装置を実現することができる。 According to the electronic device according to one aspect of the present invention, since the circuit board is included, heat generated from the electronic component can be effectively radiated and a highly reliable device can be realized. .
図１は本発明の実施形態における回路基板１を示す断面図である。回路基板１は、絶縁基板２、回路板３、放熱板４、第１ろう材５および第２ろう材６を備えている。また、図２は本発明の実施形態における電子装置10を示す断面図である。図２に示す例において、電子装置10は、回路基板１および電子部品７を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
絶縁基板２は、電気絶縁材料からなり、たとえば、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
絶縁基板２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、より厚みの厚い（厚さが大きい）回路板３を用いたとしても絶縁基板２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
絶縁基板２の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、たとえば約0.1ｍｍ〜１ｍｍで
あり、回路基板１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。絶縁基板２の大きさは、平面視で、たとえば、縦が30〜50ｍｍ程度であり、横が40〜60ｍｍ程度である。
The thinner
絶縁基板２は、たと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た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、
これを窒素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
This is manufactured by firing at a temperature of 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
回路板３は、絶縁基板２の上面に接合され、放熱板４は、絶縁基板２の下面に接合されている。回路板３および放熱板４は、例えば銅またはアルミニウム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の金属材料によって形成されている。回路基板１および電子装置10において、放熱板４の厚みが回路板３の厚みの3.75倍以上に設定されている。
The
回路板３および放熱板４は、たとえば、銅の基板（図示せず）を金型打ち抜き加工等の所定の金属加工で成形した後に絶縁基板２に張り付けられている。回路板３および放熱板４は、絶縁基板２にろう付けして形成される。
The
すなわち、実施形態の回路基板１において、回路板３は第１ろう材５によって絶縁基板２の上面に接合されている。放熱板４は第２ろう材６によって絶縁基板２の下面に接合されている。また、少なくとも第１ろう材５の外周部における熱膨張係数が、第２ろう材６の熱膨張係数よりも大きい。
That is, in the
上記のような回路基板１によれば、放熱板４の厚みは回路板３の厚みの3.75倍以上であり、絶縁基板２の上面に接合された回路板３の厚みが比較的薄いため、絶縁基板２の下面に接合された放熱板４の温度に対する伸縮による回路基板１の変形に対して、回路板３が塑性変形により小さな荷重で追従するので、絶縁基板２に加わる応力を抑制することができる。また、放熱板４の厚みが比較的厚いため、放熱板４の剛性が高くなっている。
According to the
また、回路板３と絶縁基板２とを接合している第１ろう材５は、少なくともその外周部における熱膨張係数が、放熱板４と絶縁基板２とを接合している第２ろう材６の熱膨張係数よりも大きいため、回路基板１の外周部を反らせようとする力が生じる。この力は、放熱板４と、放熱板４よりも熱膨張係数が小さい絶縁基板２との熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力と逆方向になる。そのため、これらの力が互いに打ち消し合い、回路基板１全体に反りが生じる可能性が効果的に低減されている。したがって、回路基板１全体の反りに起因する絶縁基板２のクラック等の機械的な破壊を効果的に抑制することができる。すなわち、絶縁基板２のクラック等が抑制された、長期信頼性の高い電子装置10を製作することが可能な回路基板１を提供することができる。
The first brazing
なお 、第１ろう材５の外周部とは、少なくとも、回路板３の外周よりも外側に位置し
ている部分（上から見たときに回路板３に隠れずに見える部分）であるが、回路板３の外周よりも多少内側に位置している部分も上記構成であってよい。
The outer peripheral portion of the first brazing
具体的に一例を挙げれば次の通りである。実施形態の回路基板１に電子部品７が搭載され、電子部品７の作動による熱が生じたとき（昇温時）には、第１ろう材５の外周部において回路基板１の外周部を下方向に反らせようとする力が生じる。これに対して放熱板４と絶縁基板２との熱膨張係数の差に起因して、回路基板１の外周部を上方向に反らせようとする熱応力が生じる。すなわち、回路基板１（絶縁基板２）の上面側と下面側とで逆方向の力が生じる。そのため、これらの力が互いに打ち消し合い、回路基板１全体に反りが生じる可能性が効果的に低減されている。
A specific example is as follows. When the
また、電子部品７の作動から停止にともなう放熱のとき（降温時）にも、回路基板１（絶縁基板２）の上面側と下面側とで逆向きに力が生じ、互いに打ち消し合う。
In addition, when heat is dissipated from the operation of the
また、電子部品７の作動および停止に限らず、放熱板４と絶縁基板２との接合時（ろう
付け時）等の加熱および放熱といった熱変化が生じるときにも、同様に力の打ち消し合いが可能である。したがって、回路基板１全体の反りに起因する絶縁基板２のクラック等の機械的な破壊が効果的に抑制される。
Further, not only when the
また、実施形態の電子装置10によれば、上述の回路基板１を有することから、電子部品７から発生する熱を効果的に放熱することができるとともに、信頼性の高い電子装置10を実現することができる。すなわち、上記実施形態の回路基板１によれば、信頼性の高い電子装置10を製作することができる。
In addition, according to the
上記実施形態の回路基板１および電子装置10において、第１ろう材５および第２ろう材６は、例えば次のような成分を有している。すなわち、銅および銀の少なくとも一方を主成分として含有し、接合のための活性金属として、モリブデン、チタンおよびジルコニウム、ハフニウムおよびニオブのうち少なくとも１種の金属材料をさらに添加材として含有する。これらの金属材料について、活性金属としての有効性、ろう付けの作業性および経済性（コスト）等を考慮すれば、モリブデン、チタンおよびジルコニウムが上記用途の活性金属として特に適している。
In the
また、第１ろう材５は、少なくとも外周部においては、モリブデン、チタンおよびジルコニウムといった添加材の含有率が第２ろう材６よりも小さい。言い換えれば、第１ろう材５の少なくとも外周部は、第２ろう材６よりも主成分（銅および銀の少なくとも一方）の含有率が大きい。これによって、第１ろう材５は、少なくともその外周部における熱膨張係数が第２ろう材６よりも大きくなっている。なお、各金属の熱膨張係数は、20℃（約293Ｋ）における線膨張係数として、銅が16.5×10−６１／Ｋ、銀が18.9×10−６１／Ｋ
、モリブデンが3.7×10−６１／Ｋ、チタンが8.6×10−６１／Ｋ、ジルコニウムが5.4×10−６１／Ｋである（理科年表、平成23年、第84刷より）。
In addition, the
Molybdenum is 3.7 × 10 −6 1 / K, titanium is 8.6 × 10 −6 1 / K, and zirconium is 5.4 × 10 −6 1 / K (Science Chronology, 2011, 84th printing).
第1１ろう材５の外周部における組成は、例えば次のとおりである。すなわち、銅が15
〜80質量％、銀が15〜65質量％、チタンが1〜20質量％、モリブデンが0〜5質量％程度で
ある。第２ろう材６の組成は、例えば次のとおりである。すなわち、銅が15〜75質量％、銀が15〜65質量％、チタンが1〜20質量％、モリブデンが0〜5質量％程度である。
The composition of the outer periphery of the
-80 mass%, silver is 15-65 mass%, titanium is 1-20 mass%, and molybdenum is about 0-5 mass%. The composition of the
より具体的な一例としては、次のようなものが挙げられる。すなわち、第１ろう材５の外周部における組成については、銅が80質量％、銀が19.3質量％、チタンが0.5質量％、
モリブデンが0.2％質量のものが挙げられる。また、第１ろう材５の外周部の組成がこの
値であるときに、第２ろう材６の組成については、銅が質量70％、銀が質量25.5％、チタンが質量4％、モリブデンが質量0.5％のものが挙げられる。
More specific examples include the following. That is, about the composition in the outer peripheral part of the 1st
Examples include molybdenum having a mass of 0.2%. When the composition of the outer periphery of the
なお、第１ろう材５の外周部以外の部分における組成は、例えば、外周部とおなじであってもよく、第２ろう材６と同じであってもよい。
In addition, the composition in parts other than the outer peripheral part of the
第１ろう材５のうち外周部よりも内側の中央部（例えば回路板３の下側に位置している部分）における組成は、外周部と同じであってもよく、第２ろう材６と同じであってもよい。
The composition of the
第１ろう材５について、その外周部におけるモリブデン、チタンおよびジルコニウムといった添加材の含有率を第２ろう材６よりも小さいものとするには、例えばこれらの添加材を塩化第２鉄（塩化鉄（III）、ＦｅＣｌ３）の水溶液中に溶出させて、外周部におけ
る含有率を下げるようにすればよい。
In order to make the content of the additive such as molybdenum, titanium, and zirconium in the outer periphery of the
また、添加材の含有率が第２ろう材６よりも小さい材料を第１ろう材５として用いるよ
うにしてもよい。この場合には、第１ろう材５の全体において、第２ろう材６よりも熱膨張係数が大きくなる。
Further, a material having a content of additive material smaller than that of the
回路板３の上面に対する電子部品７の搭載は、例えば接合材（図示せず）を介して電子部品７の下面を回路板３の上面に接合することによって行なわれている。この電子部品７は、例えばリード端子等の導電性接続材によって外部電気回路に電気的に接続される。この場合、回路板３に電子部品７が電気的に接続され、回路板３を介して外部電気回路に電気的に接続されてもよい。また、放熱板４は、回路板３に搭載された電子部品７から発生する熱を放熱させる機能を有している。
The
また、回路板３は、上記のような電気的な接続の用途に限らず、回路基板１に搭載される電子部品７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用の部材等としても用いることができる。回路板３は、例えば数百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板２に接合されて用いられる。
Further, the
電子部品７は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳ
Ｉ（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
It is a semiconductor element such as I (Large Scale Integrated circuit), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor).
接合材は、例えば、金属または導電性樹脂等からなる。接合材６は、たとえば、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。
The bonding material is made of, for example, a metal or a conductive resin. The
なお、回路板３の表面に、めっき法によってめっき膜を形成しても良い。この構成によれば、接合材との濡れ性が良好となるので電子部品７を回路板３の表面に強固に接合することができる。めっき膜は、導電性および耐食性が高い金属を用いれば良く、たとえば、ニッケル、コバルト、銅、若しくは金、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。めっき膜の厚みは、たとえば1.5〜10μｍであれば良い。
A plating film may be formed on the surface of the
また、めっき膜の材料としてニッケルが用いられた場合、たとえば、ニッケル内部にリンを８〜15質量％程度含有するニッケル−リンのアモルファス合金のめっき膜であることが好ましい。この場合、ニッケルめっき膜の表面酸化を抑制して、電子部品７の接合材等との濡れ性を長く維持することができる。さらに、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、めっき膜に対する接合材等の接着強度を向上させることができる。
Further, when nickel is used as the material of the plating film, for example, a nickel-phosphorus amorphous alloy plating film containing about 8 to 15% by mass of phosphorus inside the nickel is preferable. In this case, the surface oxidation of the nickel plating film can be suppressed, and the wettability with the bonding material of the
図１および図２に示す回路基板１および電子装置10において、第１ろう材５の外周部の一部が回路板３の外周よりも外側に位置している。つまり、第１ろう材５は、例えば図３に示すように、その外周部の少なくとも一部が回路板３の外周よりも外側に位置していてもよい。言い換えれば、回路板３と絶縁基板２との間よりも外側に、第１ろう材５の一部がはみ出ていてもよい。なお、図３は本発明の実施形態の回路基板１および電子装置10を示す平面図である。図３において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。
In the
図１〜図３に示す例の回路基板１および電子装置10においては、上から見たときに（平面透視において）第１ろう材５の外周位置と第２ろう材６の外周位置とがほぼ同じである。また、回路板３の外周位置と放熱板４の外周位置とがほぼ同じである。そのため、図３では放熱板４および第２ろう材６の外周位置は、回路板３および第１ろう材５の外周位置と重なって見えなくなっている。
In the
このように第１ろう材５の外周部の少なくとも一部が回路板３の外周よりも外側に位置している場合には、回路板３よりも外側、つまりは回路基板１全体の外周により近い位置まで、熱膨張係数が比較的大きい第１ろう材５が存在している。そのため、回路基板１のさらに外周に近い位置で回路基板１を、放熱板４による反りと逆方向に反らせる力が得られる。これによって、回路基板１（絶縁基板２）の上面側において、より効果的に、回路基板１（絶縁基板２）の下面側の力を打ち消す力を発生させることができる。したがって、回路基板１全体の反りがより効果的に抑制される。
Thus, when at least a part of the outer periphery of the
図１および図２に示す回路基板１および電子装置10では、平面透視において、第１ろう材５の外周が放熱板４の外周よりも外側に位置している。この場合にも、第１ろう材５の外周部の少なくとも一部が回路板３の外周よりも外側に位置している場合と同様の効果を得ることができる。
In the
図４（ａ）は図３に示す回路基板１および電子装置10の第１の変形例を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図４において図１〜３と同様の部位には同様の符号を付している。また、図４（ｂ）では電子部品７を回路基板１と分けて示している。電子部品７が回路基板１に矢印の方向に搭載されて電子装置10が製作される。
4A is a plan view showing a first modification of the
図４に示す例においては、平面透視において放熱板４の外周位置が第１ろう材５の外周位置よりも外側に位置している。このような場合には、放熱板４の剛性を大きくして、回路基板１全体が反る可能性を低減する上で有効である。また、このような場合には、放熱板４の露出した表面の面積（外気に接する表面積）を大きくして、放熱性を向上させる上でも有効である。
In the example shown in FIG. 4, the outer peripheral position of the
ここで、回路板３および放熱板４それぞれの厚みの絶対値および厚みの比が回路基板１および電子装置10の放熱性および信頼性に与える影響の具体例を挙げて説明する。この例では、図１に示すような形態の回路基板１の回路板３上に電子部品７を搭載して図２に示すような電子装置10を作製し、それをヒートシンク（図示せず）に実装して、電子部品７を所定の発熱量で発熱させたときの電子部品７の温度（部品温度）Ｔｊを、回路板３および放熱板４の厚みをさまざまな値に変化させて熱シミュレーションを行い、回路板３および放熱板４の厚みの放熱性への影響を調べた。
Here, a specific example of the influence of the absolute value of the thickness of each of the
熱シミュレーションは、各部材について、下記の表１で示す条件に設定して行なった。また、上記の所定のチップ発熱量としては、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２をそれぞれ1.8ｍｍ（市場要求のサイズに相当）としたときに、チップ温度Ｔｊが175℃になるような発熱量に調整して固定することにより行った。
The thermal simulation was performed by setting the conditions shown in Table 1 below for each member. The predetermined chip heat generation amount is such that the chip temperature Tj is 175 ° C. when the thicknesses t1 and t2 of the
なお、表１に示すように、電子部品７が実装される回路板３は、集積化のため電子部品７よりあまり大きくできないため、電子部品７より片側２ｍｍだけ大きいサイズに設定している。
As shown in Table 1, the
表２は、実施形態の回路基板１についての信頼性試験の結果をまとめた表である。放熱性については、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２をそれぞれ1.8ｍｍとしたとき
にＴｊが175℃になるようチップ発熱量を設定した場合に、チップ温度Ｔｊが175℃以下という結果が得られたものを極めて良（◎）とし、Ｔｊが205℃以下かつ175℃を超える温度となる結果が得られたものを良（○）とし、205℃を超える温度となる結果が得られたも
のを不良（×）としている。なお、上記良（○）の判定は、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２がともに0.8ｍｍのときのＴｊである。
Table 2 summarizes the results of the reliability test for the
また、信頼性については、絶縁基板２の破壊が生じる前のサイクル数が700サイクル以
上という結果が得られたものを極めて良（◎）とし、500サイクル以上700サイクル未満のものを良（○）とし、300サイクル以上500サイクル未満のものを可（△）とし、従来技術と同じ程度の信頼性である300サイクル未満で不良発生するものを不良（×）としている
。ここでの従来技術とは、従来技術の中で放熱性が良好な、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２がそれぞれ0.8ｍｍのサンプルである。
As for reliability, those with the result that the number of cycles before the breakdown of the insulating
信頼性については、表２の各条件でサンプルを作製し、これらのサンプルについて温度サイクルによる信頼性試験を行って評価した。それぞれのサンプルは、25ｍｍ×25ｍｍ×0.32ｍｍの平板状（薄い直方体状）の窒化ケイ素質焼結体からなる絶縁基板２の一方の主面に18ｍｍ×18ｍｍ×ｔ１の銅製の回路板３を、もう一方の主面に18ｍｍ×18ｍｍ×ｔ２の銅製の放熱板４を接合したものとした。回路板３および放熱板４と絶縁基板２とのそれぞれの接合は、銀、銅にチタン成分を混合した第１ろう材５および第２ろう材６を用いた活性金属接合により行なった。
About reliability, the sample was produced on each condition of Table 2, and the reliability test by a temperature cycle was done and evaluated about these samples. Each sample has a
第１ろう材５は、回路板３よりも外側に位置する部分における熱膨張係数が16.9×10−６１／Ｋであり、それよりも内側の中央部（回路板３の下側に位置する部分）における熱膨張係数が16.7×10−6１／Ｋであるものを用いた。また、第２ろう材６は熱膨張係数が16.7×10−６１／Ｋであるものを用いた。
The
信頼性試験は、チップとして近年用いられるようになってきているＩＧＢＴチップが搭載されたときの信頼性を考慮し、チップの高温動作化に対応し温度条件を低温側−40℃、高温側175℃とした。温度サイクル100サイクルごとにサンプルを取り出し、実体顕微鏡を用いて観察し、回路板３および放熱板４の絶縁基板２からの剥がれ、および絶縁基板２の割れが認められなかったものを合格（上記の通り◎、○または△）とした。
In the reliability test, considering the reliability when an IGBT chip that has recently been used as a chip is mounted, the temperature conditions are set to a low temperature side of −40 ° C. and a high temperature side of 175 corresponding to the high temperature operation of the chip. C. A sample is taken out every 100th temperature cycle and observed with a stereomicroscope, and the
さらに、表２では、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２の各組合せについて、回路基板１の製造コストの面で評価した結果を併せて示すとともに、放熱性・信頼性・コストの３つの項目を考慮して総合判定した結果も併せて示している。コストは放熱板４の部材コストとして放熱板４の厚みｔ２が５ｍｍ以下を極めて良（◎）とし、回路板３の厚みｔ１が１ｍｍ以上で、回路を形成するためのエッチングに極端に時間がかかってしまうものを可（△）とした。総合判定としては、放熱性・信頼性・コストの３つの項目の中で最も評価が悪かった結果を採用した。
Further, Table 2 also shows the results of evaluation in terms of the manufacturing cost of the
また、表２について、信頼性の判定が×であるものは、総合判定も×となっている。ただし、この総合判定の結果は、実用上の回路基板１としての種々の条件も考慮したものであるため、信頼性の判定の結果（例えば、◎または○）よりも総合判定の結果が低く（例えば○または△）なったものも含まれている。言い換えれば、総合判定が◎であるものは
、信頼性が効果的に向上しているとともに、実用についてもより適した回路基板１であるとみなすことができる。
In Table 2, when the reliability judgment is x, the comprehensive judgment is also x. However, since the result of this comprehensive determination is also in consideration of various conditions as a
表２に示される放熱性・信頼性の各項目に基づけば、放熱板４の厚みｔ２が回路板３の厚みｔ１の3.75倍以上になるように設定することで所望の放熱性を確保しつつ、信頼性を高くすることができる。すなわち、放熱板４の厚みは回路板３の厚みの3.75倍以上に設定される。
Based on the items of heat dissipation and reliability shown in Table 2, while ensuring the desired heat dissipation by setting the thickness t2 of the
また、絶縁基板２の上面に接合された回路板３の厚みｔ１を0.8ｍｍ以下とし、絶縁基
板２の下面に接合された金属製の放熱板４の厚みｔ２を３ｍｍ以上とし、回路板３の厚みｔ１と放熱板４の厚みｔ２との和を3.4ｍｍ以上とするように、回路板３および放熱板４
の厚みｔ１、ｔ２を設定することで、コストを低減しつつ、放熱性をさらに高くすることができる。また、回路板３の厚みｔ１が0.8ｍｍ以下であり、放熱板４の厚みｔ２が３ｍ
ｍ以上であり、ｔ１とｔ２との和が3.4ｍｍ以上であるものは、信頼性についても、いず
れも◎または○であり、良好な結果となっている。つまり、信頼性をさらに向上させることに関しても有効である。
Further, the thickness t1 of the
By setting the thicknesses t1 and t2, the heat dissipation can be further enhanced while reducing the cost. The thickness t1 of the
In the case of m or more and the sum of t1 and t2 being 3.4 mm or more, the reliability is either ◎ or ◯, which is a good result. In other words, it is effective for further improving the reliability.
すなわち、実施形態の回路基板１および電子装置10において、回路板３の厚みｔ１が0.8ｍｍ以下であり、放熱板４の厚みｔ２が３ｍｍ以上であり、ｔ１とｔ２との和が3.4ｍｍ以上であってもよい。
That is, in the
この場合には、放熱性をさらに高くするとともに、信頼性をさらに向上させることに関しても有効である。 In this case, it is effective to further improve heat dissipation and further improve reliability.
この信頼性の向上については、前述したように、回路板３の塑性変形が比較的容易であることと、放熱板４の剛性が比較的高いこととによるものとして以下のように説明することができる。すなわち、絶縁基板２の上面に接合された回路板３の厚みを薄くすると、絶縁基板２の下面に接合された放熱板４の温度に対する伸縮に対して、回路板３が塑性変形により小さな荷重で追従するので、絶縁基板２に加わる応力を抑制することができる。また、放熱板４の厚みを厚くすることにより、放熱板４の剛性が高くなり、回路基板１の変形を抑制することができる。
As described above, this improvement in reliability can be explained as follows because the plastic deformation of the
回路基板１に変形が生じると、絶縁基板２には、回路板３および放熱板４による応力と、絶縁基板２の変形による応力とが重畳されるため、その信頼性が低下してしまうが、上記のように、放熱板４の厚みを厚くすると、放熱板４の剛性が高くなり、回路基板１の変形が抑制されるので、絶縁基板２への変形による応力を抑制することができる。したがって、回路基板１の信頼性を高くすることができる。
When the
また、回路板３および放熱板４に銅を用いると、銅の高熱伝導性により回路基板１としての放熱性向上に有利である。
In addition, when copper is used for the
また、電子装置10を構成する場合に、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２が上記の条件を満たしている回路基板１を用いることによって、電子部品７から発生する熱を効果的に放熱することができるとともに、信頼性の高い電子装置10を製作することができる。
Further, when the
また、実施形態の回路基板１および電子装置10において、放熱板４の厚みが５ｍｍ以下であってもよい。すなわち、回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２に関しては、上記の条件に加えて、さらに、放熱板４の厚みｔ２を５ｍｍ以下としてもよい。この場合には、表２に示すように、高い放熱性および高い信頼性を有するとともに、製造コストの面で有利な回路基板１を実現することができる。
In the
回路板３および放熱板４の厚みｔ１、ｔ２に関しては、上記の条件に加えて、さらに、回路板３の厚みｔ１を0.4ｍｍ以上とすることが好ましい。これにより、表２に示すよう
に、高い放熱性および高い信頼性を有するとともに、大電流に確実に対応し得る回路基板１を実現することができる。
Regarding the thicknesses t1 and t2 of the
なお、本発明の回路基板および電子装置は、上記実施の形態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。例えば図５に示す例のように、複数の回路板３を有するものであってもよい。図５（ａ）は、図３に示す回路基板１および電子装置10の第２の変形例を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図５において図１〜３と同様の部位には同様の符号を付している。
The circuit board and the electronic device of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, like the example shown in FIG. 5, you may have a plurality of
複数の回路板３は、例えば電子部品７の実装（接合搭載）用のものと、電子部品７と電気的に接続される接続回路用のものとを含んでいる。電子部品７と接続回路用の回路板３とは、ボンディングワイヤ等の導電性接続材８を介して互いに電気的に接続されている。接続導体用の回路板３がさらに複数に分かれていてもよい。
The plurality of
この場合の第１ろう材５の外周部とは、複数の回路板３を絶縁基板２にそれぞれ接合している第１ろう材５のそれぞれの外周部である。ただし、この場合には、複数の回路板３と絶縁基板２とをそれぞれに接合している第１ろう材５の外周部のうち少なくとも絶縁基板２の上面の外周に近い部分のみ（２点鎖線で示す仮想線よりも外側の部分）において、第２ろう材６よりも熱膨張係数が大きければ、前述したような応力打ち消しの効果を有効に得ることができる。
In this case, the outer peripheral portion of the
また、第１ろう材５は、その全体において、第２ろう材６よりも高い熱膨張係数を有するものであってもよい。この場合にも、前述したような応力打ち消しの効果を有効に得ることができる。
Further, the
１・・回路基板
２・・絶縁基板
３・・回路板
４・・放熱板
５・・第１ろう材
６・・第２ろう材
７・・電子部品
８・・導電性接続材
10・・電子装置
1..
10. ・ Electronic equipment
Claims (5)
前記絶縁基板の前記上面に第１ろう材を介して接合された金属製の回路板と、
前記絶縁基板の前記下面に第２ろう材を介して接合された金属製の放熱板とを有し、
前記放熱板の厚みが前記回路板の厚みの３．７５倍以上であり、
前記第１ろう材は、少なくとも該第１ろう材の外周部における熱膨張係数が前記第２ろう材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする回路基板。 An insulating substrate having an upper surface and a lower surface;
A metal circuit board joined to the upper surface of the insulating substrate via a first brazing material;
A metal heat dissipating plate joined to the lower surface of the insulating substrate via a second brazing material,
The thickness of the heat sink is at least 3.75 times the thickness of the circuit board;
The circuit board, wherein the first brazing material has a coefficient of thermal expansion at least at an outer peripheral portion of the first brazing material larger than that of the second brazing material.
該回路基板の前記回路板に搭載された電子部品とを含むことを特徴とする電子装置。
A circuit board according to any one of claims 1 to 4,
And an electronic component mounted on the circuit board of the circuit board.
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