JP3729637B2 - Electronic components - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール、特にインテリジェントパワーモジュールの組み立てに好適な回路基板を備えてなる電子部品に関する。
【０００２】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等の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するため、従来より様々な工夫がとられてきており、最近では、セラミックス基板の一方の面には半導体素子を搭載するための金属回路、反対面には金属放熱板が形成されてなる回路基板と、この回路基板の金属放熱板に厚さ数ｍｍ程度のベース銅板とが半田付けされてなる構造の電子部品も開発されており、それをヒートシンクにネジ止めして使用されている。
【０００３】
しかしながら、上記構造の電子部品では組み立てにかなりの労力が要る。また、半導体素子の発熱とその冷却にともなうヒートサイクルによって、金属回路とセラミックス基板間、セラミックス基板と放熱銅板間、更には放熱銅板とベース銅板間に熱膨張差による熱応力が発生し、各構成部材が剥がれたり、またヒートシンクにねじ止めする際に異物を挟み込み応力集中が起こってセラミックス基板が割れたりし、パワーモジュールの信頼性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、この問題を回路基板とベース銅板とヒートシンクとの一体化構造からなる電子部品の提案（特願平１０−１８３９３号願書に添付された明細書）によって解決したが、更なる高信頼性のパワーモジュールとするには、回路基板とベース銅板を接合する際の反りをなくすることであり、この点がまだ未解決であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は回路基板の組み立て労力を低減し、しかも回路基板にベース銅板を接合する際の反りの発生を抑制することによってヒートサイクルに対する信頼性を一段と向上させた電子部品を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下を要旨とするものである。
（請求項１）セラミックス基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板と、該回路基板の金属放熱板に接合されてなるベース銅板と、該ベース銅板に接合されてなるセラミックス焼結体とを備えてなることを特徴とする電子部品。
（請求項２）セラミックス焼結体の反対面に、更に金属板が接合されてなることを特徴とする請求項１記載の電子部品。
（請求項３）金属放熱板の材質がアルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔で、ベース銅板がニッケルメッキの施された銅板であり、しかも両者はＡｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品。
（請求項４）金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項３記載の電子部品。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
【０００８】
本発明の電子部品の最大の特徴は、ベース銅板の接合された回路基板において、そのベース銅板の反対面にセラミックス焼結体が接合されていることであり、また更にそのセラミックス焼結体には金属板が接合されていることである。
【０００９】
本発明で使用されるセラミックス焼結体の材質は、熱伝導性の大きなものが好ましく、特に窒化アルミニウム、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素が好ましい。その厚みは０．３〜２ｍｍが望ましく、またその広さはベース銅板よりも僅かに狭いことが望ましく、特にセラミックス焼結体の外周とベース銅板の外周との間隔が１〜３ｍｍ程度開いている広さであることが好ましい。
【００１０】
また、金属板の材質は、本発明の電子部品はヒートシンク材に取り付けられて使用されることより、そのヒートシンク材と同等又はそれ以上の熱伝導性を有するものであることが望ましく、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、更には銅又はアルミニウムを構成材とするクラッド箔が好ましい。その厚みは０．１〜０．５ｍｍが望ましく、またその広さは特に限定はないが、セラミックス焼結体の広さと同程度であることが好ましい。
【００１１】
本発明において、ベース銅板とセラミックス焼結体との接合は、活性金属を含むろう材によるろう付け法（以下、「活性金属ろう付け法」という。）、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用にはセラミックス焼結体が窒化アルミニウム焼結体が適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００１２】
活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、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。これらの割合としては、銀７０〜１００部（「重量部」以下同じ。）と銅３０〜０部の合計量１００部あたり、活性金属３〜３５部である。接合の熱処理条件は、１×１０^-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下、温度７８０〜８３０℃で５〜３０分間の保持である。
【００１３】
また、セラミックス焼結体と金属板との接合についても、活性金属ろう付け法、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用にはセラミックス焼結体が窒化アルミニウム焼結体で、金属板が銅又はアルミニウムが適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００１４】
活性金属ろう付け法において、金属板が銅である場合は、上記方法で接合される。一方、金属板がアルミニウム又はアルミニウムを構成材とするクラッド箔である場合は、ろう材の金属成分はＡｌとＳｉ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銅及び活性金属を副成分とする。活性金属としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの化合物が使用される。これらの割合は、アルミニウム７０〜９５部、シリコン３０〜５部及び銅１〜５部の合計量１００部あたり、活性金属１〜３５部である。接合の熱処理条件は、１×１０^-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下、温度６２０〜６３０℃で３〜１０分間の保持である。
【００１５】
活性金属ろう付け法においては、ろう材の金属成分は、通常、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合され、ペーストを調製してから使用される。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、また有機結合材としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が用いられる。
【００１６】
次に、本発明で使用される回路基板について説明する。本発明においては、セラミックス基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板が使用される。
【００１７】
セラミックス基板の材質は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パワーモジュール用には窒化アルミニウムが適している。特に、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ² 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×１０¹³Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム焼結体が好適であり、その製造法については特願平９−１２１９９５号願書に添付された明細書の実施例に詳記されている。
【００１８】
金属回路及び金属放熱板の材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮し、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔が好ましい。クラッド箔の第三金属としては、ニッケル、チタン、クロム、ジルコニウム、銅、アルミニウムなどであるが、ニッケルが好ましい。これらのうち、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−ニッケル−アルミニウムクラッドが好適であり、中でも銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔が最適である。
【００１９】
金属回路の厚みは、０．１〜０．５ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると電流容量が小さくなって回路の能力が制限され、また厚すぎると熱膨張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかり回路基板の信頼性が低下する。
【００２０】
金属放熱板の厚みは、０．１〜１．０ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると、回路基板とベース銅板との間の熱応力の緩和効果が小さくなり、また厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応力を与えることになる。
【００２１】
金属回路及び金属放熱板をセラッミクス基板に形成させる（すなわち回路基板を作製する）方法としては、セラミックス基板と金属との接合体をエッチングする方法、金属から打ち抜かれた回路又は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ができる。
【００２２】
この金属又はパターンの接合は、活性金属ろう付け法、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用には窒化アルミニウム基板が適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００２３】
活性金属ろう付け法における金属成分は、金属回路及び／又は金属放熱板の材質がアルミニウム、アルミニウム合金又は銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔である場合、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板と接合されることが望ましいので、その場合は、上記したように、ＡｌとＳｉを主成分とし、銅及び活性金属を副成分としたものが使用される。一方、金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅又は銅合金である場合は、上記したように、銀と銅を主成分とし、活性金属を副成分としたものが使用される。
【００２４】
次に、本発明で使用されるベース銅板は、厚みが５ｍｍ以下であることが望ましい。厚みが薄すぎるとヒートサイクルに対する熱衝撃を緩和することができず、また厚すぎると重くなり取り扱いにくいものとなる。ベース銅板の形状は、単なる板状でも良いが、回路基板を接合した際、ベース銅板の表面と回路基板の表面とが同一平面になるように、あらかじめベース銅板に溝、窪み等を形成しておくことが望ましい。更には、ベース銅板に３〜２０μｍ程度のニッケルメッキを施しておくことによって、金属放熱板との接合が強固かつ容易となる。
【００２５】
回路基板とベース銅板とを接合するには、あらかじめ作製された回路基板とベース銅板とを活性金属ろう付け法により接合する方法、あるいは回路基板作製時の熱を利用して、回路基板の作製と同時にベース銅板を接合する方法が採用される。なお、ベース銅板は、回路基板の金属放熱板面に接合される。
【００２６】
回路基板に接合される金属放熱板の材質が、耐ヒートサイクル性の向上にとって好適な、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔である場合は、それとベース銅板とが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されていることが好ましい。この場合は、ベース銅板としてニッケルメッキの施されたベース銅板が使用され、また接合の熱処理は、１×１０^-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下で行われる。加熱炉としては、赤外線式加熱炉等のように急速な昇温が可能で微妙な温度コントロールができるものが望ましい。加熱は、アルミニウムとニッケルの共晶点近くまで上昇させ、アルミニウムとニッケルの界面をわずかに溶融させた後、１℃／分以上の速度で冷却する。具体的には、温度６２０〜６３０℃で３〜１０分間の保持を行ってから１℃／分以上の速度で冷却する。このような接合構造によれば、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶半田による半田付け法に比べて、格段に高い信頼性のある電子部品となる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。
【００２８】
セラミックス基板の製造
窒化アルミニウム粉末９６部、イットリア粉末４部をボールミルにて３０分予備混合し、オレイン酸１部を加え更に３０分混合した。この混合物に、メチルセルロースを８部加え、高速ミキサーにて１分間混合した後、グリセリン３部と水１２部の混合溶液をミキサーを撹拌させながら加え、２分間混合して造粒物を得た。この造粒物をロールにて混練した後、真空脱気を行いながら押出成形機に投入し、グリーンシート形状に押し出した。次いで、これを５８ｍｍ×４５ｍｍ×０．６５ｍｍの大きさに打ち抜き、８０℃×２０分乾燥後、空気中５００℃で１時間加熱して結合剤を除去した後、還元雰囲気下、１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼結を行って、窒化アルミニウム基板（曲げ強さ：４０ｋｇ／ｍｍ² 熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）を製造した。
【００２９】
回路基板Ａの作製
銀粉末７５部、銅粉末２５部、水素化チタン粉末５部、ジルコニウム粉末５部、テルピネオール１５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部加え、混練してろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ² とした。
【００３０】
次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板（厚み０．３ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３１】
この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、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、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面に銅回路パターン（パターン率８０％）を、またその反対面にはベタ銅パターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を形成した。この銅回路パターン間には、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、それを温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した。次いで、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）を施して回路基板Ａを作製した。
【００３２】
回路基板Ｂの作製
アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１０部、銅粉末４部及び水素化チタニウム粉末１５部からなる混合粉末１００部にテルピネオール１５部とポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を加え、混練してろう材ペーストを調製し、それを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は３ｍｇ／ｃｍ² とした。
【００３３】
次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニウム板（純度９９．５％、厚み０．５ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度６４０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３４】
次いで、この接合体のアルミニウム板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って、アルミニウム板不要部分とアルミニウム回路間に存在する不要ろう材等を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面にアルミニウム回路（パターン率８０％）を、反対面にはベタアルミニウムパターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）からなる金属放熱板を有する回路基板Ｂを作製した。
【００３５】
回路基板Ｃの作製
回路基板Ｂの作製過程で製造された接合体（窒化アルミニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合体）の片面にのみニッケルメッキ（厚み５μｍ）の施された厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以上の高真空下、６３０℃×５分間保持して接合を行った。得られた接合体を回路基板Ｂの作製と同様にしてエッチングし、窒化アルミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅クラッド箔からなる金属回路、他方の面にベタアルミニウムパターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）からなる金属放熱板を有する回路基板Ｃを作製した。
【００３６】
回路基板とベース銅板の接合は、表１のようにして行った。
【００３７】
【表１】

【００３８】
回路基板とベース銅板とセラミックス焼結体の接合は、表２のようにして行った。
【００３９】
【表２】

【００４０】
回路基板とベース銅板とセラミックス焼結体と金属板の接合は、表３のようにして行った。
【００４１】
【表３】

【００４２】
実施例１〜８ 比較例１〜５
回路基板Ａ、Ｂ又はＣの作製、及びその回路基板とベース銅板、セラミックス焼結体、金属板の接合方法を種々変えて電子部品を作製した。得られた電子部品について、反り、耐ヒートサイクル性、及びセラミックス基板のクラック発生率を以下に従い測定した。電子部品の作製条件とそれらの結果を表４に示す。
【００４３】
（１）反り：ＪＩＳ Ｂ ０６２１に従う平面度をダイヤルゲ−ジを用いて測定した。
（２）耐ヒートサイクル性：気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとするヒートサイクル試験を行い、電子部品１０個のうち１個が剥離・破壊等の不良が生じた最初のヒートサイクル回数を測定した。
（３）クラック発生率：ヒートサイクル回数３００回後の電子部品について、その金属回路部分を溶解除去し、金属回路周囲のセラミックス基板面に発生しているクラック長さを測定し、それを金属回路全周長に対する比率を算出した。
【００４４】
【表４】

【００４５】
更に、実施例５〜８、及び比較例４、５で得られた電子部品について、回路基板の金属放熱板とベース銅板との間に生成した接合層の組成をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）により測定した。その結果、いずれの接合層も、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕを含む合金層が３μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉを含む合金層が５μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉからなる合金層が８μｍ程度含まれていた。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーモジュールの組み立てを大幅に短縮することのできる、耐ヒートサイクル性に優れた回路基板を備えた電子部品が提供される。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic component including a circuit board suitable for assembling a power module, particularly an intelligent power module.
[0002]
In recent years, with the improvement in performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of high power modules such as high power and high efficiency inverters has progressed, and the heat generated from semiconductor elements has been increasing. In order to dissipate this heat efficiently, various measures have been taken conventionally. Recently, a metal circuit for mounting a semiconductor element is provided on one side of a ceramic substrate, and a metal heat sink is provided on the opposite side. Electronic components with a structure in which the formed circuit board and a base copper plate with a thickness of several millimeters are soldered to the metal heat sink of this circuit board have also been developed. Has been.
[0003]
However, the electronic component having the above structure requires considerable labor for assembly. In addition, due to the heat cycle of the heat generation and cooling of the semiconductor element, thermal stress is generated due to the difference in thermal expansion between the metal circuit and the ceramic substrate, between the ceramic substrate and the heat dissipation copper plate, and between the heat dissipation copper plate and the base copper plate. When the member is peeled off, or when screwed to the heat sink, foreign matter is caught and stress concentration occurs, the ceramic substrate is cracked, and the reliability of the power module is lowered.
[0004]
Therefore, the present applicant solved this problem by proposing an electronic component having an integrated structure of a circuit board, a base copper plate and a heat sink (specification attached to Japanese Patent Application No. 10-18393). In order to obtain a highly reliable power module, it is necessary to eliminate warpage when the circuit board and the base copper plate are joined, and this point has not been solved yet.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to reduce the assembly effort of the circuit board and to suppress the occurrence of warpage when the base copper plate is joined to the circuit board, thereby improving the reliability with respect to the heat cycle. It is to provide an electronic component that is further improved.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(Claim 1) A circuit board in which a metal circuit is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat sink is formed on the opposite surface, a base copper plate bonded to the metal heat sink of the circuit board, and the base copper plate An electronic component comprising: a sintered ceramic body joined.
(Claim 2) The electronic component according to claim 1, wherein a metal plate is further bonded to the opposite surface of the ceramic sintered body.
(Claim 3) The material of the metal heat sink is aluminum, aluminum alloy, or copper-third metal-aluminum clad foil, and the base copper plate is a nickel-plated copper plate, both of which contain an Al component and a Ni component. The electronic component according to claim 1, wherein the electronic component is bonded via a bonding layer including an alloy layer.
(Claim 4) The material of the metal circuit and / or the metal heat sink is a copper-nickel-aluminum clad foil, the aluminum surface of which is a ceramic substrate through a bonding layer in which an alloy layer containing an Al component and an Si component is present. The electronic component according to claim 3, wherein the electronic component is joined to the electronic component.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0008]
The greatest feature of the electronic component of the present invention is that the ceramic sintered body is bonded to the opposite surface of the base copper plate in the circuit board to which the base copper plate is bonded. That is, the metal plates are joined.
[0009]
The material of the ceramic sintered body used in the present invention preferably has a large thermal conductivity, and aluminum nitride, silicon nitride, cubic boron nitride, and silicon carbide are particularly preferable. The thickness is preferably 0.3 to 2 mm, and the width is preferably slightly narrower than the base copper plate. In particular, the gap between the outer periphery of the ceramic sintered body and the outer periphery of the base copper plate is about 1 to 3 mm. Preferably it is wide.
[0010]
Further, the material of the metal plate is preferably one having a thermal conductivity equal to or higher than that of the heat sink material, since the electronic component of the present invention is used by being attached to the heat sink material. An alloy, aluminum, an aluminum alloy, and a clad foil containing copper or aluminum as a constituent material are preferable. The thickness is preferably 0.1 to 0.5 mm, and the width is not particularly limited, but is preferably about the same as the width of the ceramic sintered body.
[0011]
In the present invention, the base copper plate and the ceramic sintered body are joined by a brazing method using an active metal brazing material (hereinafter referred to as “active metal brazing method”), a joining method using an organic adhesive, a DBC method, or the like. Can be done by. Since an aluminum nitride sintered body is suitable as the ceramic sintered body for the power module, an active metal brazing method is employed in that case.
[0012]
The metal component of the brazing material in the active metal brazing method contains silver and copper as main components, and an active metal as a subcomponent in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. These ratios are 3 to 35 parts of active metal per 100 parts in total of 70 to 100 parts of silver (the same applies to “parts by weight”) and 30 to 0 parts of copper. The heat treatment condition for bonding is holding at a temperature of 780 to 830 ° C. for 5 to 30 minutes under a high vacuum of about 1 × 10 ⁻⁴ Torr or more.
[0013]
Also, the ceramic sintered body and the metal plate can be joined by an active metal brazing method, a joining method using an organic adhesive, a DBC method, or the like. For power modules, the ceramic sintered body is an aluminum nitride sintered body and the metal plate is copper or aluminum. In this case, an active metal brazing method is employed.
[0014]
In the active metal brazing method, when the metal plate is copper, they are joined by the above method. On the other hand, when the metal plate is aluminum or a clad foil composed of aluminum, the metal component of the brazing material is mainly composed of Al and Si, and copper and copper are used to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. An active metal is a minor component. As the active metal, titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium and their compounds are used. These ratios are 1-35 parts of active metal per 100 parts total of 70-95 parts aluminum, 30-5 parts silicon and 1-5 parts copper. The heat treatment condition for bonding is holding at a temperature of 620 to 630 ° C. for 3 to 10 minutes under a high vacuum of about 1 × 10 ⁻⁴ Torr or more.
[0015]
In the active metal brazing method, the metal component of the brazing material is usually mixed with a roll, a kneader, a universal mixer, a raking machine, etc. by adding an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component. It is used after preparing. Examples of the organic solvent include methyl cellosolve, terpineol, isophorone, and toluene, and examples of the organic binder include ethyl cellulose, methyl cellulose, and polymethacrylate.
[0016]
Next, the circuit board used in the present invention will be described. In the present invention, a circuit board in which a metal circuit is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat sink is formed on the opposite surface is used.
[0017]
The material of the ceramic substrate is silicon nitride, aluminum nitride, alumina or the like, but aluminum nitride is suitable for power modules. In particular, an aluminum nitride sintered body having a thermal conductivity of 120 W / mK or more, a bending strength of 35 kg / mm ² or more, and a volume resistivity of 1 × 10 ¹³ Ω · cm or more in air at 150 ° C. is suitable. Is described in detail in the embodiment of the specification attached to Japanese Patent Application No. 9-121995.
[0018]
The material of the metal circuit and the metal heat sink is preferably copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, or copper-third metal-aluminum clad foil in consideration of electrical conductivity and thermal conductivity. The third metal of the clad foil is nickel, titanium, chromium, zirconium, copper, aluminum or the like, and nickel is preferable. Of these, aluminum, an aluminum alloy, and copper-nickel-aluminum clad are preferable, and copper-nickel-aluminum clad foil is most preferable.
[0019]
The thickness of the metal circuit is desirably 0.1 to 0.5 mm. If the thickness is too thin, the current capacity is reduced and the circuit performance is limited. If the thickness is too thick, thermal stress due to the difference in thermal expansion is applied to the ceramic substrate and the reliability of the circuit substrate is lowered.
[0020]
As for the thickness of a metal heat sink, it is desirable that it is 0.1-1.0 mm. If the thickness is too thin, the effect of mitigating thermal stress between the circuit board and the base copper plate is reduced, and if it is too thick, a great thermal stress is applied to the ceramic substrate.
[0021]
As a method of forming a metal circuit and a metal heat sink on a ceramic substrate (that is, producing a circuit board), a method of etching a joined body of a ceramic substrate and a metal, a circuit punched from a metal, or a pattern of a heat sink is made of ceramic. It can be performed by a method of bonding to a substrate.
[0022]
The metal or pattern can be bonded by an active metal brazing method, a bonding method using an organic adhesive, a DBC method, or the like. Since an aluminum nitride substrate is suitable for the power module, an active metal brazing method is employed in that case.
[0023]
The metal component in the active metal brazing method is an alloy in which the aluminum surface contains an Al component and a Si component when the material of the metal circuit and / or the metal heat sink is aluminum, an aluminum alloy, or a copper-nickel-aluminum clad foil. Since it is desirable to be bonded to a ceramic substrate through a bonding layer in which a layer exists, in that case, as described above, a material mainly composed of Al and Si, and copper and an active metal as subcomponents is used. The On the other hand, when the material of the metal circuit and / or the metal heat sink is copper or a copper alloy, as described above, a material mainly composed of silver and copper and an active metal as a minor component is used.
[0024]
Next, the base copper plate used in the present invention preferably has a thickness of 5 mm or less. If the thickness is too thin, the thermal shock to the heat cycle cannot be mitigated, and if it is too thick, it becomes heavy and difficult to handle. The shape of the base copper plate may be a simple plate shape, but when the circuit board is joined, grooves, depressions, etc. are formed in the base copper plate in advance so that the surface of the base copper plate and the surface of the circuit board are flush with each other. It is desirable to keep it. Further, by applying nickel plating of about 3 to 20 μm to the base copper plate, the joining with the metal heat radiating plate becomes strong and easy.
[0025]
In order to join the circuit board and the base copper plate, the circuit board and the base copper plate prepared in advance are joined by an active metal brazing method, or the circuit board is produced by using heat at the time of circuit board production. At the same time, a method of joining the base copper plates is adopted. The base copper plate is joined to the metal heat sink surface of the circuit board.
[0026]
When the material of the metal heat sink bonded to the circuit board is aluminum, an aluminum alloy, or a copper-third metal-aluminum clad foil suitable for improving heat cycle resistance, the base copper plate is made of Al. Bonding is preferably performed via a bonding layer in which an alloy layer containing a component and a Ni component exists. In this case, a nickel-plated base copper plate is used as the base copper plate, and the heat treatment for bonding is performed under a high vacuum of about 1 × 10 ⁻⁴ Torr or more. As the heating furnace, a furnace capable of rapid temperature increase and capable of delicate temperature control such as an infrared heating furnace is desirable. In the heating, the temperature is raised to near the eutectic point of aluminum and nickel, the interface between aluminum and nickel is slightly melted, and then cooled at a rate of 1 ° C./min or more. Specifically, after holding at a temperature of 620 to 630 ° C. for 3 to 10 minutes, cooling is performed at a rate of 1 ° C./min or more. According to such a joining structure, the electronic component is remarkably highly reliable as compared with the conventional soldering method using Pb—Sn eutectic solder.
[0027]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples and comparative examples.
[0028]
Production of Ceramic Substrate 96 parts of aluminum nitride powder and 4 parts of yttria powder were premixed for 30 minutes in a ball mill, and 1 part of oleic acid was added and further mixed for 30 minutes. After adding 8 parts of methylcellulose to this mixture and mixing for 1 minute with a high-speed mixer, a mixed solution of 3 parts of glycerin and 12 parts of water was added while stirring the mixer, and mixed for 2 minutes to obtain a granulated product. The granulated material was kneaded with a roll, and then put into an extruder while performing vacuum deaeration, and extruded into a green sheet shape. Next, this was punched into a size of 58 mm × 45 mm × 0.65 mm, dried at 80 ° C. × 20 minutes, heated in air at 500 ° C. for 1 hour to remove the binder, and then in a reducing atmosphere at 1900 ° C. Under normal pressure sintering for 1 hour, an aluminum nitride substrate (bending strength: 40 kg / mm ² thermal conductivity: 170 W / mK) was produced.
[0029]
Preparation of Circuit Board A 75 parts of silver powder, 25 parts of copper powder, 5 parts of titanium hydride powder, 5 parts of zirconium powder, 15 parts of terpineol, and 1 part of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate as an organic binder are added. The brazing material paste was adjusted by kneading. This brazing material paste was applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate produced above. The coating amount (after drying) at that time was 6 to 8 mg / cm ² .
[0030]
Next, a copper plate (thickness: 0.3 mm) is placed in contact with the brazing material paste coating surface, heated at a temperature of 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum with a degree of vacuum of 1 × 10 ⁻⁵ Torr or less, and then 2 ° C./min. The joined body was manufactured by cooling at a temperature lowering rate.
[0031]
After applying a UV curable etching resist on the copper plate of the joined body by screen printing, etching is performed using a cupric chloride solution to dissolve and remove unnecessary portions of the copper plate, and the etching resist is further removed with a 5% caustic soda solution. And a copper circuit pattern (pattern rate of 80%) was formed on one side, and a solid copper pattern (57 mm × 44 mm, corner R2 mm) was formed on the opposite side. Between these copper circuit patterns, there is a residual unwanted brazing material or a reaction product of the active metal component and the aluminum nitride substrate, which was removed by immersion in a 10% ammonium fluoride solution at a temperature of 60 ° C. for 10 minutes. Next, nickel plating (thickness 5 μm) was applied to produce a circuit board A.
[0032]
Fabrication of circuit board B To 100 parts of mixed powder consisting of 86 parts of aluminum powder, 10 parts of silicon powder, 4 parts of copper powder and 15 parts of titanium hydride powder, add toluene solution of terpineol and polyisobutyl methacrylate and knead. A brazing paste was prepared and applied to both sides of the aluminum nitride substrate produced above. The coating amount (after drying) at that time was 3 mg / cm ² .
[0033]
Next, an aluminum plate (purity 99.5%, thickness 0.5 mm) is placed in contact with the brazing material paste application surface, and heated at a temperature of 640 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of 1 × 10 ⁻⁵ Torr or less. Then, the bonded body was manufactured by cooling at a rate of temperature decrease of 2 ° C./min.
[0034]
Next, a UV curable etching resist is applied on the aluminum plate of the joined body by screen printing, and then an etching process is performed using a cupric chloride solution, so that there is no need to exist between the aluminum plate unnecessary portion and the aluminum circuit. The brazing material is dissolved and removed, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution, and an aluminum circuit (pattern rate 80%) is formed on one side, and a solid aluminum pattern (57 mm × 44 mm, corner R2 mm) is formed on the opposite side. A circuit board B having a metal heat sink was produced.
[0035]
Fabrication of Circuit Board C Thickness where nickel plating (thickness 5 μm) is applied only on one side of a joined body (a joined body in which an aluminum plate is joined to both sides of an aluminum nitride substrate) manufactured in the process of producing circuit board B A 3 mm copper plate was placed in contact, and was bonded in an infrared heating type bonding furnace by holding at 630 ° C. for 5 minutes under a high vacuum with a degree of vacuum of 0.1 Torr or higher. The obtained bonded body was etched in the same manner as the circuit board B, and a metal circuit made of aluminum-nickel-copper clad foil was formed on one surface of the aluminum nitride substrate, and a solid aluminum pattern (57 mm × 44 mm, A circuit board C having a metal heat radiating plate having a corner R2 mm) was produced.
[0036]
The circuit board and the base copper plate were joined as shown in Table 1.
[0037]
[Table 1]

[0038]
The circuit board, the base copper plate, and the ceramic sintered body were joined as shown in Table 2.
[0039]
[Table 2]

[0040]
The circuit board, the base copper plate, the ceramic sintered body, and the metal plate were joined as shown in Table 3.
[0041]
[Table 3]

[0042]
Examples 1-8 Comparative Examples 1-5
Electronic components were produced by variously changing the production method of the circuit board A, B, or C and the joining method of the circuit board, the base copper plate, the ceramic sintered body, and the metal plate. About the obtained electronic component, the curvature, heat cycle resistance, and the crack generation rate of the ceramic substrate were measured as follows. Table 4 shows the manufacturing conditions of the electronic components and the results thereof.
[0043]
(1) Warpage: The flatness according to JIS B 0621 was measured using a dial gauge.
(2) Heat cycle resistance: a heat cycle test in which, in the air, after holding at −40 ° C. × 30 minutes, left at 25 ° C. × 10 minutes, further held at 125 ° C. × 30 minutes and then left at 25 ° C. × 10 minutes as one cycle Then, the number of times of the first heat cycle in which one of the ten electronic components was defective such as peeling / breaking was measured.
(3) Crack generation rate: For electronic components after 300 heat cycles, the metal circuit portion was dissolved and removed, and the crack length generated on the ceramic substrate surface around the metal circuit was measured. The ratio to the total circumference was calculated.
[0044]
[Table 4]

[0045]
Further, regarding the electronic components obtained in Examples 5 to 8 and Comparative Examples 4 and 5, the composition of the bonding layer formed between the metal heat sink of the circuit board and the base copper plate was determined by EPMA (Electron Beam Microanalyzer). It was measured. As a result, each of the bonding layers contained about 3 μm of an alloy layer containing Al—Ni—Cu, about 5 μm of an alloy layer containing Al—Ni—Si, and about 8 μm of an alloy layer made of Al—Ni.
[0046]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electronic component provided with the circuit board excellent in heat cycle resistance which can reduce the assembly of a power module significantly is provided.

Claims (3)

熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ ² 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×１０ ¹³ Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板と、該回路基板の金属放熱板に活性金属ろう付け法により接合されてなる厚みが５ｍｍ以下であるベース銅板と、該ベース銅板に活性金属ろう付け法により接合されてなる０．３〜２ｍｍの厚みの窒化アルミニウム焼結体とを備えてなる平面度が８０μｍ以下であることを特徴とするパワーモジュール用電子部品。A metal circuit on one side of an aluminum nitride substrate with a thermal conductivity of 120 W / mK or more, a bending strength of 35 kg / mm ² or more, and a volume resistivity of 1 × 10 ¹³ Ω · cm or more in air at 150 ° C. A circuit board formed with a plate, a base copper plate having a thickness of 5 mm or less bonded to a metal heat sink of the circuit board by an active metal brazing method, and a base copper plate bonded to the base copper plate by an active metal brazing method An electronic component for a power module having a flatness of 80 μm or less, comprising an aluminum nitride sintered body having a thickness of 0.3 to 2 mm. 金属放熱板の材質が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔のうちのいずれか一つで、ベース銅板がニッケルメッキの施された銅板であり、しかも両者はＡｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用電子部品。  The material of the metal heat sink is any one of aluminum, aluminum alloy, copper-third metal-aluminum clad foil, and the base copper plate is a nickel-plated copper plate, both of which are Al component and Ni 2. The electronic component for a power module according to claim 1, wherein the electronic component for a power module is bonded through a bonding layer including an alloy layer containing a component. 金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用電子部品。  The material of the metal circuit and / or the metal heat sink is a copper-nickel-aluminum clad foil, and the aluminum surface thereof is bonded to the ceramic substrate via a bonding layer in which an alloy layer containing an Al component and a Si component is present. 3. The electronic component for a power module according to claim 1, wherein the electronic component is a power module.