JP4949159B2 - Circuit board, package using the same, and electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、回路基板及びにこれを用いたパッケージ並びに電子装置に関する。 The present invention relates to a circuit board, a package using the circuit board, and an electronic device.
近年、電力、鉄道車両、産業機器や家電製品のインバータ部分やコンバータに用いられているスイッチングデバイスとして、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワーモジュールが幅広く使用されている。これらパワーモジュールは、その内部搭載される半導体素子を比較的安価な樹脂によってモールドしたものが一般的であった。 In recent years, power modules such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) have been widely used as switching devices used in inverters and converters of electric power, railway vehicles, industrial equipment, and home appliances. These power modules are generally obtained by molding a semiconductor element mounted therein with a relatively inexpensive resin.
また、このようなパワーモジュールは大電流が流れることから、絶縁性セラミック基板の下面の全面にヒートシンクを設けることが開示されている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の技術は、図6に示すように、半導体チップ105が搭載される絶縁性セラミック基板101の下方にも放熱部材104が設けられていることから、絶縁性セラミック基板101とその下方に位置する放熱部材104との熱膨張係数差から絶縁性セラミック基板101に加わる引っ張り応力を緩和することは困難であった。
However, as shown in FIG. 6, the technique disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板と放熱部材との熱膨張係数差から、基板に加わる引っ張り応力を緩和した回路基板及びパッケージ並びに電子装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a circuit board, a package, and an electronic device in which a tensile stress applied to the board is relieved from a difference in thermal expansion coefficient between the board and the heat dissipation member.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の回路基板は、配線導体を有する基板と、前記基板を平面視して、前記基板の一主面に設けられた枠体と、前記基板の他主面における前記枠体に囲まれた領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第1の放熱部材と、前記基板の他主面における前記枠体の直下に位置する領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第2の放熱部材と、前記基板の他主面に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい放熱部材と、を備え、前記第2の放熱部材の厚みが、前記第1の放熱部材の厚みよりも薄いことを特徴とするものである。
In order to solve the above-described problem, a circuit board according to
請求項1に記載の発明によれば、回路基板が冷却され、例えば放熱部材の熱収縮に起因して基板に引っ張り応力が加わった場合であっても、枠体の直下に位置する第2の放熱部材の厚みを、基板の他主面における枠体に囲まれた領域に設けられた第1の放熱部材の厚みよりも薄くしたことから、基板の他主面のうち、枠体の直下に位置する領域では、上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体が基板から剥離することを抑制できる。
According to the first aspect of the present invention, even if the circuit board is cooled and, for example, a tensile stress is applied to the board due to thermal contraction of the heat dissipation member, the second board is located immediately below the frame . Since the thickness of the heat dissipating member is made thinner than the thickness of the first heat dissipating member provided in the region surrounded by the frame on the other main surface of the substrate, the thickness of the heat dissipating member is directly below the frame on the other main surface of the substrate. In the area | region located, since the said tensile stress can be suppressed, it can suppress that a frame peels from a board | substrate.
本発明の回路基板及びこれを用いたパッケージ並びに電子装置について、以下に詳細に説明する。 The circuit board of the present invention, a package using the circuit board, and an electronic device will be described in detail below.
図1は本発明の回路基板の一例を示す斜視図である。また、図2(a)、図2(b)は図1のX−X’線における断面概略図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of a circuit board of the present invention. 2A and 2B are schematic cross-sectional views taken along the line X-X 'of FIG.
図中、1は基板、2は配線導体、3は枠体、4は放熱部材、5は電子素子、7はリード端子、9はワイヤー、50は回路基板である。 In the figure, 1 is a substrate, 2 is a wiring conductor, 3 is a frame, 4 is a heat radiating member, 5 is an electronic element, 7 is a lead terminal, 9 is a wire, and 50 is a circuit board.
例えば、このような回路基板50の枠体3上に蓋部材を備えることによりパッケージとすることができる。また、このパッケージ内部に配線導体と電気的に接続してなる電子素子を備えることで電子装置90とすることができる。なお、図面に施したクロスハッチング線は、金属の層が形成されている部分であることを示し、その領域が断面領域を示すものではない。
For example, it can be set as a package by providing a cover member on the
<回路基板>
基板1は、放熱性の観点から比較的高い熱伝導率を有しているAlN(窒化アルミニウム)基板やSiC(窒化ケイ素)基板などのセラミックスの基板1を用いることが好ましい。配線導体2は、例えば銅箔等の導電性材料がセラミックの基板1上にパターニングされている。
<Circuit board>
The
配線導体2と基板1との接合は、基板1の一主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と配線導体2とを従来周知のAg(銀)−Cu(銅)ロウ材等を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて接合してもよい。特に、Ti(チタン)を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、セラミックスの基板1と配線導体2との接合界面に、Ti(チタン)とセラミックスとの化合物を生じるため、該化合物によってセラミックスの基板1と配線導体2との接合信頼性を高めることができる。
The
枠体3は、基板1の一主面を平面視して、例えば配線導体2を囲うようにして設けられるものである。枠体3は、枠体3の取り付け安定性の観点から基板1の外周よりも内側に位置するように設けることが好ましい。枠体3と基板1との接合は、基板1の一主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と枠体3とを従来周知のAg(銀)−Cu(銅)ロウ材を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて接合してもよい。特にTi(チタン)を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、上述した理由によって基板1と枠体3との接合信頼性を高めることができる。
The
また、枠体3は金属からなるとともに基板1上に接合材を介して設ければ、枠体3とこの枠体3上の金属部材11とをシーム溶接により接合することができる。特に、枠体3をFe(鉄)−Ni(ニッケル)系の高抵抗の金属とすれば、枠体3と金属部材11とのシーム溶接を好適に行なうことができる。
If the
金属部材11は、Fe(鉄)−Ni(ニッケル)−Co(コバルト)合金やFe(鉄)−Ni(ニッケル)合金等からなる。なお、この金属部材11をシールリング8として後述する蓋部材10で封止してもよい。
The
枠体3と金属部材11とをシーム溶接することで、枠体3付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板50に過剰な熱量が加わることを抑制できる。さらに、シーム溶接を行なう際に枠体3を伝わる熱は、Ag(銀)−Cu(銅)ロウ材や活性金属ロウ材等の接合材にも伝わり、接合材は軟化する。加えて、図4に示すように、金属部材11から枠体3に向かって加圧するため、接合材と枠体3及び基板1との接着面積が増加し、枠体3と基板1との固定をさらに強固なものとすることができる。
By seam welding the
また、シーム溶接をすることで、配線部材2と基板1、若しくは、後述する放熱部材4と基板1との接合面に介在するロウ材や半田等の接合材が再溶融することを抑制できるため、基板1と配線部材2、若しくは基板1と放熱部材4との位置ずれを抑制できる。その結果、基板1上で上述した引っ張り応力が加わる部位が変化しにくくなるため、より一層枠体3が基板1から剥離しにくくなる。
In addition, by performing seam welding, it is possible to suppress remelting of a bonding material such as a brazing material or solder that intervenes on a bonding surface between the
放熱部材4は、基板1の他主面に設けられ、枠体3よりも熱膨張係数の大きいものである。放熱部材4は、放熱性の観点から比較的高い熱伝導率を有しているアルミニウムや銅などの金属からなることが好ましい。放熱部材4と基板1との接合は、基板1の他主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と放熱部材4とを従来周知のAg(銀)−Cu(銅)ロウ材を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて放熱部材4と基板1とを接合してもよい。特にTi(チタン)を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、上述した理由によって基板1と放熱部材4との接合信頼性を高めることができる。
The
本発明に係る回路基板50の一実施形態は、図2(a)に示すように、基板1の他主面において、枠体3の直下に位置する放熱部材4の厚みは、その他の部分における放熱部材4の厚みよりも薄いことを特徴とするものである。
In one embodiment of the
かかる構成によれば、回路基板50が冷却され、放熱部材4の熱収縮に起因して基板1に引っ張り応力が加わった場合であっても、基板1の他主面のうち、枠体3の直下に位置する領域では、上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体3が基板1から剥離することを抑制できる。
According to such a configuration, even when the
ここで、基板1の他主面のうち、枠体3の直下に位置する領域とは、図2(a)中、点線で囲った領域である。また、放熱部材4の厚みを測定するためには、研削盤等を用いて図2(a)に示すような断面を作製して、放熱部材4の厚みを測定すればよい。
Here, in the other main surface of the
また、本発明に係る回路基板50の他の実施形態は、図2(b)に示すように、基板1の他主面のうち、枠体3の直下に位置する領域では、放熱部材4を設けていないことを特徴とするものである。
Further, in another embodiment of the
かかる構成によれば、回路基板50が冷却され、放熱部材4の熱収縮に起因して基板1に引っ張り応力が加わった場合であっても、枠体3の直下に位置する領域では、放熱部材4を設けていないことから、上記領域では上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体3が基板1から剥離することを抑制できる。また、基板1の他主面において放熱部材4が設けられていない箇所を有することから、上記領域を境界部分として、上記引っ張り応力を分散させることができるため、より枠体3が基板1から剥離することを抑制できる。
According to such a configuration, even when the
ここで、基板1の他主面のうち、枠体3の直下に位置する領域とは、図2(b)中、点線で囲った領域である。また、放熱部材4が設けられていない箇所の有無を確認するためには、研削盤等を用いて図2(b)に示すような断面を作製して放熱部材4の有無を確認すればよい。
Here, in the other main surface of the
なお、枠体3と放熱部材4との熱膨張係数の関係は、以下のようにして測定することが可能である。
In addition, the relationship of the thermal expansion coefficient of the
例えばEPMA(Electron Probe Microanalysis)による測定が挙げられる。まず回路基板を樹脂でモールドし、所定の断面構造とする。次に、枠体3の部位及び放熱部材4の部位に対して、例えば日本電子製JXA−8100を用いて成分分析を行なえば、測定対象の成分を確認することができる。ここで、測定対象の成分結果が単体である場合は、既知の線膨張率を熱膨張係数とみなせばよい。
For example, measurement by EPMA (Electron Probe Microanalysis) can be mentioned. First, the circuit board is molded with resin to obtain a predetermined cross-sectional structure. Next, if the component analysis is performed on the part of the
また、測定対象の成分結果が合金等の化合物からなる場合は、枠体3及び放熱部材4を各々所定の大きさに切断し、常温から例えばヒーターブロック等で所定の熱量を加えた時の各部材の変位を測定することによって各部材の熱膨張係数の関係を確認することができる。
In addition, when the component result to be measured is made of a compound such as an alloy, the
<パッケージ及び電子装置>
次に、上述した回路基板50を用いたパッケージについて説明する。
<Packages and electronic devices>
Next, a package using the
本発明に係るパッケージは、枠体3上に蓋部材10を備えてなるものである。
The package according to the present invention includes the
蓋部材10は、アルミナ等のセラミックスからなるものでもよいし、Fe(鉄)−Ni(ニッケル)合金や、Fe(鉄)−Ni(ニッケル)−Co(コバルト)合金等の金属からなるものでもよい。
The
枠体3に蓋部材10を直接取り付ける場合は、枠体3に貫通孔を設け、当該貫通孔にパッケージの内外を挿通するリード7を備えればよい。
When the
また、図3に示すように枠体3と蓋部材10との間に枠体3に入出力端子6を設けることにより、パッケージ内外を電気的に接続してもよい。
In addition, as shown in FIG. 3, the input and
入出力端子6は、例えば長方形の誘電体から成る平板部の上面の一方の長辺から他方の長辺にかけてW,Mo,Mn等のメタライズ層によって線路導体が形成される。この平板部の短辺方向のほぼ中央部に四角柱状の誘電体から成る立壁部が線路導体を間に挟んで入出力端子6が形成される。線路導体は、例えば、W,Mo等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、平板部となるセラミック生成形体の上面に、予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておき、焼成することにより形成される。この線路導体とリード端子7とが電気的に接続される。平板部および立壁部は、アルミナ(Al2O3)質セラミックス,窒化アルミニウム(AlN)質セラミックス,ムライト(3Al2O3・2SiO2)質セラミックス等の誘電体から成り、好ましくは、セラミックグリーンシート積層法によって形成されるのがよい。
In the input /
なお、図4に示す方法と同様にして入出力端子6と蓋部材10とをシーム溶接によってシールリング8を介して接合してもよい。このようにすれば、枠体3付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板50に過剰な熱量が加わることを抑制できる。したがって、枠体3の取り付け時だけではなく、蓋部材10取り付け時にも枠体3が基板1から剥離することを抑制できる。
In addition, you may join the input /
本発明に係るパッケージによれば、例えパッケージが加熱され、その後冷却された場合であっても、基板1と枠体3とが剥離することを抑制できるため、パッケージ内部の封止信頼性を高めることができる。それゆえ、パッケージ内部を大気圧よりも気圧が低い状態に維持し易く、基板1に形成されている配線導体2どうしの距離を近づけた場合であっても、配線導体2どうしの間で漏れ電流が発生することを抑制できる。したがって、配線導体2どうしの距離を近づけることが可能となり、配線導体2の複雑な配線パターンも形成できるとともに、パッケージの小型化にも対応することができる。
According to the package of the present invention, even if the package is heated and then cooled, it is possible to prevent the
最後に、上述したパッケージを用いた電子装置90について説明する。
Finally, an
本発明に係る電子装置90は、パッケージ内部に配線導体2と電気的に接続してなる電子素子5を備えたものである。
The
電子素子5は、上述した大電流が流れる半導体素子を用いることができる。電子素子5の取り付け方法は、上述した配線導体2にワイヤーボンディングによって電気的に接続してもよいし、上述した配線導体2上にフリップチップ接合してもよい。特に、電子素子5をフリップチップ接合した場合には、電子素子5が発熱した場合であっても、配線導体2を介してパッケージ外部へ放熱し易いため好ましい。
As the
<電子装置の製造方法>
次に、本発明に係るパッケージの製造方法について入出力端子6を用いた場合について説明する。
<Method for Manufacturing Electronic Device>
Next, the case where the input /
本発明に係る電子装置90の製造方法は、回路基板50を準備する工程と、入出力端子6の上面にシールリング8を、入出力端子6の下面に金属部材11を接合する工程と、金属枠体3上に金属部材11を挟んで入出力端子6を載置する工程と、金属枠体3と金属部材11とをシーム溶接によって接合する工程と、を備えるものである。
The manufacturing method of the
このような電子装置90の製造方法によれば、シーム溶接によって少ない熱量で枠体3付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板50に過剰な熱量が加わることを抑制できる。それゆえ、上述した引っ張り応力によって、枠体3が基板1から剥離することを一層抑制できる。また、シーム溶接をすることで、配線部材2と基板1、若しくは放熱部材4と基板1との接合面に介在するロウ材や半田等の接合材が再溶融することを抑制できるため、基板1と配線部材2、若しくは基板1と放熱部材4との位置ずれを抑制できる。その結果、基板1上で上述した引っ張り応力が加わる部位が変化しにくくなるため、より一層枠体3が基板1から剥離しにくくなる。
According to such a manufacturing method of the
<その他>
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等支障ない。例えば、金属部材11を図5に示すように突起部11aを備えることにより、金属部材11と入出力端子6とを接合する際に金属部材11が冷却される場合であっても、突起部11aで塑性変形し易いため、入出力端子6に加わる応力を緩和することができる。それゆえ、金属部材11から入出力端子6が剥離することを抑制することができる。
<Others>
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, by providing the
1:基板
2:配線導体
3:枠体
4:放熱部材
5:電子素子
6:入出力端子
7:リード端子
8:シールリング
9:ワイヤー
10:蓋部材
11:金属部材
11a:突起部
12:シーム溶接器具
50:回路基板
90:電子装置
1: Board 2: Wiring conductor 3: Frame 4: Heat dissipation member 5: Electronic element 6: Input / output terminal 7: Lead terminal 8: Seal ring 9: Wire 10: Lid member 11: Metal member 11a: Protrusion 12: Seam Welding instrument 50: Circuit board 90: Electronic device
Claims (8)
前記基板を平面視して、前記基板の一主面に設けられた枠体と、
前記基板の他主面における前記枠体に囲まれた領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第1の放熱部材と、
前記基板の他主面における前記枠体の直下に位置する領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第2の放熱部材と、
を備え、
前記第2の放熱部材の厚みが、前記第1の放熱部材の厚みよりも薄いことを特徴とする回路基板。 A substrate having a wiring conductor;
A frame provided on one main surface of the substrate in plan view of the substrate;
A first heat dissipating member provided in a region surrounded by the frame body on the other main surface of the substrate, and having a larger thermal expansion coefficient than the frame body;
A second heat dissipating member provided in a region located immediately below the frame body on the other main surface of the substrate, and having a larger thermal expansion coefficient than the frame body;
With
The circuit board , wherein the thickness of the second heat radiating member is smaller than the thickness of the first heat radiating member.
金属からなる前記枠体と、該枠体上に載置される入出力端子に設けられた金属部材とをシーム溶接により接合してなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の回路基板。 A bonding material disposed between the wiring conductor and the substrate, or between the first heat radiating member and the second heat radiating member and the substrate;
The said frame body which consists of metal, and the metal member provided in the input-output terminal mounted on this frame body are joined by seam welding, The Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. Circuit board.
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