JP3257869B2 - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- 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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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
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- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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Description
を有するセラミックス基板からなる回路基板の改良に関
するものであって、電子部品のパワーモジュール等に使
用されるものである。
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
散させるため、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、
基板上に銅板等の金属板を接合し、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
実装する構造も採用されつつある。
々あるが、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
ライズ法等があげられる。
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との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60-177
634 号公報)や、表面が酸化処理された窒化アルミニウ
ム基板と銅板とを銅の融点以下でCu−Oの共晶温度以
上で加熱接合するDBC法(例えば特開昭56-163093 号
公報)等がある。
以下の利点がある。 (1)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する耐久性が大である。
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
分な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、金属放熱板(通常はセラミックス基板
の下面に設けられる)の体積を金属回路(通常はセラミ
ックス基板の上面に設けられる)の体積の50〜90%
となるように調整したり(特開昭63-24815号公報)、金
属放熱板の厚さを金属回路のそれの50%以下にする
(特開平5-170564号公報)ことによってある程度は改善
された。
路と金属放熱板の材質は共に銅であるので、両者の体積
を変えることは熱膨張による応力のバランスが異なった
ものとなる。その結果、接合体自体の耐熱衝撃性は良好
となり、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、金属放熱板にベース銅板、金属回路に半導
体素子をそれぞれ半田付けする際の急激な温度上昇によ
って接合体の反りの変位が著しくな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。
するために鋭意検討を重ねた結果、接合体又は回路基板
に荷重を加えながら熱処理を施すことによって、温度2
50℃に加熱した場合における反り量を200μm以下
に調節すれば良いことを見いだし、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金属回路、他方の面には金
属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路の厚
みが0.3mmよりも大きく、しかも温度250℃に加
熱したときの反り量が200μm以下であることを特徴
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、その焼結密度は、機械的強度及び電気特性
の点から相対密度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
度が好ましい。
ては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等
が使用されるが、銅が一般的である。金属回路の厚みと
しては、近年、電流密度が増大していく傾向から0.3
mmよりも厚いことが必要であり、また金属放熱板の厚
みは、熱抵抗を下げるために0.2mm以下であること
が好ましい。
他方の面に金属放熱板を設ける方法としては、セラミッ
クス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する方法等によって
行うことでき、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方法としては、活性金属ろ
う付け法やDBC法等を採用することができる。
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、バナジウム及びこれらの化合
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及び必要に
応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミ
キサー、万能混合器、らいかい機等で混合することによ
って調整することができる。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、ポリメチルメタクリレート等が使用され
る。なお、金属回路又は金属放熱板の材質がアルミニウ
ムである場合には、上記ろう材である必要はなく、例え
ばアルミニウムとシリコンを金属成分とするものでも充
分である。
温度250℃に加熱した場合における反り量が200μ
m以下であるようにしたことが大きな特徴である。従来
技術においては、電気伝導性等の点から、金属回路又は
金属放熱板の材質は、無酸素銅又はそれに僅かな酸素を
混入させたタフピッチ銅が好ましく使用されている。こ
のような銅の熱膨張係数は、文献値とほぼ等しく17×
10-6/℃であり、セラミックス基板例えば窒化アルミ
ニウム基板の4.5×10-6/℃よりも大きいので回路
基板に熱が加えられたときに熱応力が発生していた。
える方法においては、金属板とセラミックス基板との接
合体の製造時や、得られた回路基板をベース銅板に取り
つける等の際、さらにはその使用時に温度差からくる熱
衝撃等によって熱応力がかかる機会が多かったことは上
記したとおりである。
を保つために今後はますます厚くなる方向にあり、また
金属放熱板は、熱抵抗を下げる点からも薄い方が望まし
い。そこで、本発明は、このような構造の回路基板であ
っても、熱応力がセラミックス基板になるべく伝わらな
いようにするため、接合体又は回路基板を製造した後
に、0.3〜10kg/cm2 の荷重を加えながら、窒
素等の不活性雰囲気下、温度100〜200℃で1〜2
4時間保持後、荷重を除いて冷却する方法等によって、
温度250℃に加熱した場合における回路基板の反り量
が200μm以下であるようにしたものである。
的に説明する。 実施例1〜3 比較例1〜7 銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、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1.5重量部を加えてよく混練し、ろう材ペ
ーストを調整した。このろう材ペーストを60×30×
0.65mmの窒化アルミニウム基板の両面にスクリー
ン印刷によって全面に塗布した。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60×30×0.5mmの銅
板を、そして裏面には60×30×0.2mmの銅板を
それぞれ接触配置してから、表1に示す荷重を加えて炉
に投入し、高真空中、温度900℃で30分加熱した
後、2℃/ 分の速度で冷却して接合体を製造した。
のエッチングレジストをスクリーン印刷で回路パターン
に塗布後、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
処理後の回路基板には、銅回路間等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%フッ化
アンモニウム溶液に10分間浸漬した。得られた回路基
板を表1に示す条件で熱処理を行った後、荷重を除いて
室温まで冷却した。
いてヒートサイクル(熱衝撃)試験を行った。ヒートサ
イクル試験は、気中、−40℃×30分保持後、25℃
×10分間放置、さらに125℃×30分保持後、25
℃×10分間放置を1サイクルとして行い、銅が剥離開
始したヒートサイクル回数を測定した。また、温度25
0℃の空気中で5時間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。さらには、温度
250℃のリフロー炉中、回路基板を厚さ4mmのベー
ス銅板に無荷重で半田付けを行った後、ボイドを超音波
探査機で測定し、ボイド発生率(%)を(ボイド面積/
回路基板面積)×100として算出した。これらの結果
を表1に示す。
+として表示してある。
りの変位が著しく小さいので、これをベース銅板に半田
付けする際のボイドの発生が減少し、しかも熱衝撃や熱
履歴に対する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性が向上
する。
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設けられてなるものであ
って、金属回路の厚みが0.3mmよりも大きく、しか
も温度250℃に加熱したときの反り量が200μm以
下であることを特徴とする回路基板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20946893A JP3257869B2 (ja) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | 回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20946893A JP3257869B2 (ja) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | 回路基板 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0766507A JPH0766507A (ja) | 1995-03-10 |
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Family
ID=16573366
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20946893A Expired - Lifetime JP3257869B2 (ja) | 1993-08-24 | 1993-08-24 | 回路基板 |
Country Status (1)
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-
1993
- 1993-08-24 JP JP20946893A patent/JP3257869B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH0766507A (ja) | 1995-03-10 |
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