JP7342371B2 - 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7342371B2 JP7342371B2 JP2019024743A JP2019024743A JP7342371B2 JP 7342371 B2 JP7342371 B2 JP 7342371B2 JP 2019024743 A JP2019024743 A JP 2019024743A JP 2019024743 A JP2019024743 A JP 2019024743A JP 7342371 B2 JP7342371 B2 JP 7342371B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- circuit board
- aluminum
- copper
- thickness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
上述の絶縁回路基板として、例えば特許文献1に記載された金属ベース回路基板が提案されている。
ここで、銅箔からなる回路層及び絶縁樹脂層は、熱膨張係数が大きいため、上述の各種モジュールに冷熱サイクルが負荷された場合には、熱応力によってはんだ層にクラックが生じてしまうおそれがあった。
特許文献2においては、フィラーを含まない低弾性樹脂層を形成することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
特許文献3においては、絶縁樹脂層全体を低弾性化することにより、はんだ層に作用する熱応力を緩和する技術が提案されている。
ここで、上述の特許文献2においては、フィラーを含んでいないため、熱伝導率が低くなり、放熱特性が不十分であった。
また、特許文献3においては、フィラーを含有しているものの、やはり、熱伝導率が例えば5W/(m・K)以下と低く、放熱特性が不十分であった。
また、前記回路層は、銅層に積層するアルミニウム層を有しており、このアルミニウム層上にはんだ層が形成されることになる。そして、上述のアルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が100MPa未満のアルミニウムで構成されているので、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力をこのアルミニウム層で緩和することが可能となる。
よって、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、はんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。
この場合、前記銅層の厚さtaと前記アルミニウム層の厚さtbとの比ta/tbが10以下とされ、銅層に対して十分な厚さのアルミニウム層が形成されており、このアルミニウム層において、冷熱サイクル負荷時にはんだ層に作用する熱応力を確実に緩和することが可能となる。
この場合、前記銅層の厚さtaが0,3mm以上とされ、銅層の厚さが確保されているので、銅層において、効率的に熱を面方向に拡げることができ、放熱特性を確実に向上させることができる。
また、エッチングすることなく、回路パターンが形成されることになり、回路層が銅層とアルミニウム層との積層体で構成されていても、回路パターンを精度良く形成することが可能となる。
さらに、前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物を十分に加圧して、前記樹脂組成物を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層の絶縁性を確保することができる。
図1に、本発明の実施形態である絶縁回路基板10、及び、この絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
ここで、絶縁回路基板10と半導体素子3とは、第1はんだ層2を介して接合されている。この第1はんだ層2は、例えばSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされている。
ここで、絶縁回路基板10とヒートシンク31とは、第2はんだ層32を介して接合されている。この第2はんだ層32は、上述のはんだ層2と同様に、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)で構成することができる。
また、金属基板11の厚さは、0.05mm以上3mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.3mmに設定されている。
本実施形態では、絶縁樹脂層12の強度及び熱伝導率を確保するために、フィラーを含有する熱硬化型樹脂が用いられている。
ここで、フィラーとしては、例えばアルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を用いることができる。また、熱硬化型樹脂としては、エポキシ樹脂等を用いることができる。本実施形態では、絶縁樹脂層12は、フィラーとしてアルミナを含有するエポキシ樹脂で構成されている。
また、絶縁樹脂層12の厚さは、20μm以上250μm以下の範囲内とされており、本実施形態では、60μmとされている。
銅層15aは、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、無酸素銅の圧延板とされている。
アルミニウム層15bは、塑性変形域における弾性率が100MPa未満のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度が99.99mass%以上の4Nアルミニウム(上述の弾性率38MPa)で構成されている。
なお、アルミニウム層15aの塑性変形域における弾性率は、応力ひずみ線図における0.2%耐力から最大引っ張り強さまでの傾きである。
なお、銅層15aの厚さtaの下限は、0.3mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがさらに好ましい。一方、銅層15aの厚さtaの上限は、2.0mm以下であることが好ましく、1.5mm以下であることがさらに好ましい。
なお、アルミニウム層15bの厚さtbの下限は、0.05mm以上であることが好ましく、0.1mm以上であることがさらに好ましい。一方、アルミニウム層15bの厚さtbの上限は、0.2mm以下であることが好ましく、0.15mm以下であることがさらに好ましい。
なお、上述の厚さ比ta/tbの下限は、3以上であることが好ましく、5以上であることがさらに好ましい。一方、上述の厚さ比ta/tbの上限は、12.5以下であることが好ましく、10以下であることがさらに好ましい。
この回路層15においては、上述の金属片25がパターン状に配置されることで回路パターンが形成されている。
まず、図3及び図4に示すように、無酸素銅からなる銅板35aと4Nアルミニウムからなるアルミニウム板35bとを積層して接合し、積層板35を形成する。
本実施形態では、銅板35aとアルミニウム板35bとを固相拡散接合することにより、積層板35を形成している。
そして、積層した銅板35a及びアルミニウム板35bを、積層方向に加圧(0.1MPa以上3.5MPa以下)するとともに加熱して、銅板35aとアルミニウム板35bとを固相拡散接合し、積層板35を得る。
ここで、固相拡散接合時の接合条件は、加熱温度を400℃以上548℃未満、加熱温度での保持時間を5分以上240分以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、上述の積層板35を打ち抜き加工することにより、回路層15となる金属片25を形成する。
本実施形態では、図4に示すように、打ち抜き加工機51の凸型52及び凹型53によって積層板35を挟持して剪断することにより、所定の形状の金属片25を積層板35から打ち抜く。これにより、銅層25aとアルミニウム層25bとの積層構造の金属片25が得られる。
次に、図3及び図5に示すように、金属基板11の一方の面(図5において上面)に、フィラーと、熱硬化型樹脂と、硬化剤と、を含有する樹脂組成物22からなるシート材を配置する。このとき、樹脂組成物22の厚さt0は、40μm以上500μm以下の範囲内とされている。
また、本実施形態では、フィラーとしてアルミナと窒化ホウ素を用いている。また、熱硬化型樹脂としてエポキシ樹脂を用いている。
次に、上述の樹脂組成物22の一方の面(図5において上面)に、複数の金属片25を回路パターン状に配置するとともに、金属片25以外の領域に押圧部材40を配設する。
押圧部材40は、金属片25と同じ厚さとなるよう設計されており、具体的には、押圧部材40と金属片25との厚さの公差が0.03mm以内とされている。
次に、金属基板11と樹脂組成物22と金属片25及び押圧部材40とを積層方向に加圧するとともに加熱して、樹脂組成物22を硬化させて絶縁樹脂層12を形成するとともに、金属基板11と絶縁樹脂層12、絶縁樹脂層12と金属片25を接合する。
この樹脂硬化工程S05においては、加熱温度が120℃以上250℃以下の範囲内とされ、加熱温度での保持時間が10分以上180分以下の範囲内とされている。また、積層方向の加圧荷重が1MPa以上5MPa以下の範囲内とされている。
ここで、この樹脂硬化工程S05においては、硬化前の樹脂組成物22の厚さt0と硬化後の絶縁樹脂層12の厚さt1との比t1/t0が0.8以下となるように、金属基板11と樹脂組成物22と金属片25及び押圧部材40とを積層方向に加圧することが好ましい。
次に、金属基板11とヒートシンク31とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次いで、回路層15に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
さらに、金属基板11と樹脂組成物22と金属片25及び押圧部材40を積層方向に加圧しているので、樹脂組成物22を十分に加圧することで樹脂組成物22を確実に硬化させることができ、絶縁樹脂層12の絶縁性を確保することができる。
本実施形態においては、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、本実施形態では、銅層を無酸素銅で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、タフピッチ銅等の他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
なお、絶縁樹脂層の熱伝導率は、大気雰囲気、室温(25℃)でレーザフラッシュ法によって熱拡散率を測定するとともに、比熱をDSCで測定し、密度をアルキメデス法により測定し、それぞれの値から算出した。
なお、第2層(アルミニウム層)の弾性率(塑性変形域における弾性率)は、応力ひずみ線図を作成し、0.2%耐力から最大引っ張り強さまでの傾きとして算出した。
はんだ接合条件は、雰囲気を窒素と水素の混合雰囲気(体積比で窒素:水素=1:3)とし、室温から昇温して210℃で10分保持した後、310℃で5分間保持した。なお、昇温速度は10℃/minとした。
接合率(%)={(初期接合面積)-(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
回路層を銅層とアルミニウム層との積層構造とし、アルミニウム層の塑性変形域における弾性率が100MPa以上とされた比較例2,3においては、冷熱サイクル負荷後にはんだ層にクラックが多く観察され、接合率が大きく低下した。アルミニウム層によって熱応力を十分に緩和できなかったためと推測される。
絶縁樹脂層の熱伝導率が10W/(m・K)未満であった比較例5においては、放熱特性が不十分であった。絶縁樹脂層が熱抵抗となったためと推測される。
また、銅層の厚さtaとアルミニウム層の厚さtbとの比ta/tbが10以下とされた本発明例1-5,7においては、冷熱サイクル負荷後におけるはんだ層のクラックの発生がさらに抑制されており、接合率がさらに高くなった。
さらに、銅層の厚さtaが0.3mm以上とされた本発明例1~6においては、放熱特性にさらに優れていた。
11 金属基板
12 絶縁樹脂層
15 回路層
15a 銅層
15b アルミニウム層
22 樹脂組成物
25 金属片
35 積層板
40 押圧部材
Claims (4)
- 金属基板と、この金属基板の一方の面に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の前記金属基板とは反対側の面に形成された回路パターン状を有する回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記絶縁樹脂層は、熱伝導率が10W/(m・K)以上とされており、
前記回路層は、前記絶縁樹脂層側に配置された銅層と、この銅層に積層されたアルミニウム層と、を有しており、前記アルミニウム層は、塑性変形域における弾性率が100MPa未満のアルミニウムで構成されており、
前記銅層の厚さtaが0.25mm以上5.0mm以下の範囲内とされ、前記アルミニウム層の厚さtbが0.02mm以上0.3mm以下の範囲内とされ、前記銅層の厚さtaと前記アルミニウム層の厚さtbとの比ta/tbが2.5以上15以下の範囲内とされており、
前記銅層と前記アルミニウム層との接合界面には、CuとAlの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記銅層の厚さtaと前記アルミニウム層の厚さtbとの比ta/tbが10以下とされていることを特徴とする請求項1に記載の絶縁回路基板。
- 前記銅層の厚さtaが0.3mm以上とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の絶縁回路基板。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
積層した銅板及びアルミニウム板を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記銅板と前記アルミニウム板とを固相拡散接合し、銅とアルミニウムの積層板を形成する積層板形成工程と、
前記積層板を加工して、前記回路層を構成する金属片を形成する金属片形成工程と、
前記金属基板の一方の面に、樹脂組成物を配置する樹脂組成物配置工程と、
前記樹脂組成物の一方の面に、前記金属片をパターン状に配置するとともに、押圧部材を配置する金属片及び押圧部材配置工程と、
前記金属基板と前記樹脂組成物と前記金属片及び押圧部材を積層方向に加圧するとともに加熱して、前記樹脂組成物を硬化させて前記絶縁樹脂層を形成するとともに、前記金属基板と前記絶縁樹脂層、前記絶縁樹脂層と前記金属片を接合する樹脂硬化工程と、
を備えていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019024743A JP7342371B2 (ja) | 2019-02-14 | 2019-02-14 | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019024743A JP7342371B2 (ja) | 2019-02-14 | 2019-02-14 | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020136349A JP2020136349A (ja) | 2020-08-31 |
JP7342371B2 true JP7342371B2 (ja) | 2023-09-12 |
Family
ID=72279049
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019024743A Active JP7342371B2 (ja) | 2019-02-14 | 2019-02-14 | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7342371B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022139874A (ja) * | 2021-03-12 | 2022-09-26 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク一体型絶縁回路基板 |
EP4299550A1 (en) * | 2021-03-30 | 2024-01-03 | Denka Company Limited | Method for manufacturing circuit board and circuit board |
JP2023132535A (ja) * | 2022-03-11 | 2023-09-22 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク一体型絶縁回路基板、および、電子デバイス |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012160548A (ja) | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Toyota Central R&D Labs Inc | 絶縁基板とその絶縁基板を有するパワーモジュール |
JP2013229545A (ja) | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法 |
WO2014046130A1 (ja) | 2012-09-21 | 2014-03-27 | 三菱マテリアル株式会社 | アルミニウム部材と銅部材との接合構造 |
WO2018181417A1 (ja) | 2017-03-31 | 2018-10-04 | ローム株式会社 | パワーモジュールおよびその製造方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01266790A (ja) * | 1988-04-19 | 1989-10-24 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 混成集積回路基板およびその製造方法 |
-
2019
- 2019-02-14 JP JP2019024743A patent/JP7342371B2/ja active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012160548A (ja) | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Toyota Central R&D Labs Inc | 絶縁基板とその絶縁基板を有するパワーモジュール |
JP2013229545A (ja) | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法 |
WO2014046130A1 (ja) | 2012-09-21 | 2014-03-27 | 三菱マテリアル株式会社 | アルミニウム部材と銅部材との接合構造 |
WO2018181417A1 (ja) | 2017-03-31 | 2018-10-04 | ローム株式会社 | パワーモジュールおよびその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020136349A (ja) | 2020-08-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5403129B2 (ja) | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法 | |
KR102170623B1 (ko) | 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 | |
JP7342371B2 (ja) | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 | |
JP6127540B2 (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP5957862B2 (ja) | パワーモジュール用基板 | |
WO2021193701A1 (ja) | 絶縁回路基板の製造方法 | |
WO2019181428A1 (ja) | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 | |
JP5987418B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP6303420B2 (ja) | パワーモジュール用基板 | |
TW202243156A (zh) | 散熱片一體型絕緣電路基板 | |
JP2018157115A (ja) | 絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 | |
JP7363613B2 (ja) | ヒートシンク一体型絶縁回路基板 | |
JP7040176B2 (ja) | 絶縁回路基板、および、絶縁回路基板の製造方法 | |
JP6825411B2 (ja) | 絶縁回路基板、絶縁回路基板の製造方法 | |
JP2019149515A (ja) | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 | |
WO2023171019A1 (ja) | ヒートシンク一体型絶縁回路基板、および、電子デバイス | |
JP6237058B2 (ja) | 銅板付きパワーモジュール用基板、及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法 | |
WO2021246369A1 (ja) | 絶縁樹脂回路基板の製造方法 | |
JP6790915B2 (ja) | 絶縁回路基板の製造方法 | |
JP2022169003A (ja) | ヒートシンク、および、ヒートシンク一体型絶縁回路基板 | |
JP2021190586A (ja) | 絶縁樹脂回路基板 | |
TW202035130A (zh) | 接合體、附散熱片絕緣電路基板、及散熱片 | |
JP2019149514A (ja) | 放熱板付絶縁回路基板、及び、放熱板付絶縁回路基板の製造方法 | |
JP2018137277A (ja) | 銅/アルミニウム接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 | |
JP2018142576A (ja) | 絶縁回路基板の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210930 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220726 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220802 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221003 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230207 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230407 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230801 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230814 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7342371 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |