JP7151583B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板100は、図1に示すように絶縁回路基板1にヒートシンク2が接合されてなり、例えばパワーモジュール用基板として用いられる。この場合、図1に二点鎖線で示すように、パワーモジュール用基板としてのヒートシンク付き絶縁回路基板100上に素子30が搭載されて、パワーモジュールとなる。
絶縁回路基板1は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面に接合された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に接合された金属層13とを備える。
ヒートシンク2は、絶縁回路基板1に接合されて、絶縁回路基板1から伝達された熱を放熱する。このヒートシンク2は、絶縁回路基板1の金属層13に接合された第1金属層21と、第1金属層21の下面(金属層13とは反対側の面)に接合されたセラミックス板材23と、セラミックス板材23の下面(第1金属層21とは反対側の面)に接合された第2金属層22とからなる。
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板100の製造方法について説明する。
図3Aに示すように、セラミックス基板11に回路層用金属板120及び金属層用金属板130をそれぞれAg-Cu-Ti系のろう材を用いて接合する。具体的には、セラミックス基板11の両面に、それぞれAg-Cu-Ti系のろう材箔14を介在させて回路層用金属板120及び金属層用金属板130を積層し、これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス基板11と回路層用金属板120及び金属層用金属板130を接合する。これにより、セラミックス基板11の上面に回路層12が接合部(ろう付け部)を介して接合され、下面に金属層13が接合部(ろう付け部)を介して接合された絶縁回路基板1が形成される。
次に、図3Bに示すように、厚さT3が0.2mm~1.2mmのセラミックス板材23に、厚さT1が0.8mm~3.0mmの第1金属層用金属板210、及び厚さT2が0.8mm~3.0mmかつT1以下の第2金属層用金属板220を、それぞれAl-Si系のろう材を用いて接合する。
そして、絶縁回路基板1とヒートシンク2とを固相拡散接合する。具体的には、図3Cに示すように、絶縁回路基板1の金属層13をヒートシンク2上に積層し、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、金属層13とヒートシンク2の第1金属層21とを固相拡散接合する。この場合の加圧力としては例えば0.5MPa~2.0MPa、加熱温度としては500℃~540℃とされ、この加圧及び加熱状態を30分~120分保持する。これにより、金属層13とヒートシンク2とが接合され、図1に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板100が得られる。
次に、本発明の第2実施形態について、図面を用いて説明する。
実施例1-1~1-12、比較例1-1~1-4及び従来例の試料を構成する絶縁回路基板としては、厚さ0.635mm、平面サイズが120mm×90mmのセラミックス基板に厚さ0.4mmの回路層及び厚さ0.4mmの金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造した。回路層及び金属層については、表1に示す組成のものを用意した。
得られた各試料につき、常温(30℃)から285℃に加熱した後冷却して30℃とする一連の加熱試験において、285℃加熱時の反り量、及び285℃に加熱した後冷却して30℃となった際の反り量(30℃冷却時の反り量)を測定し、285℃加熱時の反り量と30℃冷却時の反り量との変化量(反り変化量)を求めた。
実施例1-1~1-12、比較例1-1~1-3および従来例について、電子部品を回路層にはんだ付けした試料をそれぞれ30個製作し、-50℃~175℃の間で1000回変化させる温度サイクル試験を実行した後のはんだの接合性について評価した。はんだとしては、Sn-3Ag-0.5Cuはんだを用いた。サイクル試験終了後に、超音波探傷で電子部品とはんだの界面を観察し、2値化した後、黒色部を接合部分とし、電子部品の面積を100%とした時の接合率を求めた。30個の試料の接合率を求め、平均値が80%以上であれば「A」、80%未満であれば「B」と評価した。
電子部品を回路層にはんだ付けした試料を30個製作してセラミックスの割れ発生の有無を確認した。各30個の試料のうち、はんだ付け後に絶縁回路基板のセラミックス基板が1個でも割れた場合は否「B」とし、1個も割れなかった場合は良「A」と評価した。
実施例1-1~1-12、比較例1-1~1-3及び従来例のヒートシンク付き絶縁回路基板各30個に対して、-50℃~175℃の間で1000回変化させる温度サイクル試験を実行した後、絶縁回路基板のセラミックス基板に割れがあるか否かを目視にて判定した。セラミックス基板に割れが生じた個数が70%を超えた場合を否「B」、70%以下だった場合を良「A」と判定した。
実施例2-1~2-11、比較例2-1~2-6の試料を構成する絶縁回路基板としては、第1の態様に係る実験と同様に、厚さ0.635mm、平面サイズが120mm×90mmのセラミックス基板に厚さ0.4mmの回路層及び厚さ0.4mmの金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造した。回路層及び金属層については、表3に示す組成のものを用意した。
絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性の評価として、各試料を超音波画像測定機(Insight社製の超音波画像測定機IS‐200)にて絶縁回路基板の金属層とヒートシンクの第1金属層との接合界面を観察して、接合界面におけるボイド(空孔)の面積を測定した。そして、接合すべき面積に対するボイドの合計面積を各サンプルのボイド率として算出した。
ボイド率(%)={(ボイドの合計面積)/(金属層13の面積)}×100
ボイド率が5%未満であったものを「接合性」が良「A」と評価し、ボイド率が5%を超えるものを「接合性」が否「B」と評価した。
2 2A ヒートシンク
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
14 ろう材箔
21 21A 第1金属層
22 22A 第2金属層
23 セラミックス板材
30 素子
31 はんだ
100 100A ヒートシンク付き絶縁回路基板
120 回路層用金属板
130 金属層用金属板
210 第1金属層用金属板
220 第2金属層用金属板
Claims (6)
- セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と;前記金属層に接合されたヒートシンクと;を備えるヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さT1の第1金属層と、前記第1金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第1金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さT2の第2金属層と、を有し、
前記第1金属層の前記厚さT1及び前記第2金属層の前記厚さT2がいずれも0.8mm以上3.0mm以下であり、厚さ比率T1/T2が1.0以上であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 前記回路層は銅又は銅合金により構成され、
前記セラミックス基板及び前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 前記金属層と前記第1金属層とは、固相拡散接合していることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
- セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と;前記金属層に接合されたヒートシンクと;を備えるヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さT1の第1金属層と、前記第1金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第1金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さT2の第2金属層と、を有し、
0.2≦T1≦0.5(mm)、0.3≦T2≦0.6(mm)、厚さ比率T1/T2<1.0であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 前記回路層は銅又は銅合金により構成され、
前記セラミックス基板及び前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されている
ことを特徴とする請求項4に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 前記金属層と前記第1金属層とは固相拡散接合していることを特徴とする請求項4または5に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
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