JPH11307690A - Electric component - Google Patents
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- JPH11307690A JPH11307690A JP10728298A JP10728298A JPH11307690A JP H11307690 A JPH11307690 A JP H11307690A JP 10728298 A JP10728298 A JP 10728298A JP 10728298 A JP10728298 A JP 10728298A JP H11307690 A JPH11307690 A JP H11307690A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power module, and more particularly to an electronic component having a circuit board suitable for assembling an intelligent power module.
【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。2. Description of the Related Art In recent years, high-performance modules such as high-power and high-efficiency inverters have been transitioning along with high performance of industrial equipment such as robots and motors, and the heat generated from semiconductor elements has been increasing steadily. I have. Various measures have been taken to efficiently dissipate this heat, and recently, a metal circuit for mounting a semiconductor element on one surface of the ceramic substrate, and a metal radiator plate on the opposite surface. An electronic component with a structure in which a formed circuit board and a base copper plate with a thickness of about several mm are soldered to a metal radiator plate of this circuit board has also been developed and used by screwing it to a heat sink. Have been.
【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。[0003] However, in the electronic component having the above structure, considerable labor is required for assembling. In addition, due to the heat cycle of the heat generated by the semiconductor element and its cooling, 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 radiating copper plate, and further between the heat radiating copper plate and the base copper plate. There has been a problem that when the members are peeled off, or when foreign matter is pinched when screwed to the heat sink, stress concentration occurs and the ceramic substrate is broken, thereby lowering the reliability of the power module.
【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。Accordingly, the present applicant has solved this problem by proposing an electronic component having an integrated structure of a circuit board, a base copper plate and a heat sink (the specification attached to Japanese Patent Application No. 10-18393). However, in order to make the power module more highly reliable, it is necessary to eliminate warpage when joining the circuit board and the base copper plate, and this point has not been solved yet.
【０００５】[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。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to reduce the labor required for assembling a circuit board and to reduce the occurrence of warpage when joining a base copper plate to the circuit board. An object of the present invention is to provide an electronic component in which the reliability with respect to a heat cycle is further improved by suppressing the temperature.
【０００６】[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。That is, the present invention provides the following. (Claim 1) A metal circuit is provided on one surface of a ceramic substrate,
A circuit board having a metal radiator plate formed on the opposite surface, a base copper plate joined to the metal radiator plate of the circuit board, and a ceramic sintered body joined to the base copper plate. Electronic components featured. (2) The electronic component according to (1), wherein a metal plate is further joined to the opposite surface of the ceramic sintered body. (Claim 3) The material of the metal radiator plate is aluminum, an aluminum alloy, or a copper-third metal-aluminum clad foil, and the base copper plate is a nickel-plated copper plate, and both have 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 including the alloy layer. (Claim 4) The material of the metal circuit and / or the metal heat radiating plate is a copper-nickel-aluminum clad foil, and the aluminum surface of the metal substrate and / or the metal substrate is interposed through a bonding layer having an alloy layer containing an Al component and a Si component. The electronic component according to claim 3, wherein the electronic component is joined to the electronic component.
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳しく説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
【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。The most significant feature of the electronic component of the present invention is that in a circuit board to which a base copper plate is joined, a ceramic sintered body is joined to the opposite surface of the base copper plate. A metal plate is bonded to the body.
【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。The material of the ceramic sintered body used in the present invention is preferably a material having high thermal conductivity, particularly preferably aluminum nitride, silicon nitride, cubic boron nitride, and silicon carbide. Its thickness is preferably 0.3 to 2 mm,
It is desirable that the width is slightly smaller than that of the base copper plate, and it is particularly preferable that the space between the outer periphery of the ceramic sintered body and the outer periphery of the base copper plate is about 1 to 3 mm.
【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。The material of the metal plate is desirably one having a heat 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. Copper, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, and more preferably a clad foil containing copper or aluminum as a constituent material. The thickness is desirably 0.1 to 0.5 mm, and the width is not particularly limited, but is preferably approximately the same as the width of the ceramic sintered body.
【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。In the present invention, the base copper plate and the ceramic sintered body are joined by a brazing method using a brazing material containing an active metal (hereinafter referred to as “active metal brazing method”), a joining method using an organic adhesive, It can be performed by the DBC method or the like. Since an aluminum nitride sintered body is suitable for a ceramic sintered body for a power module, an active metal brazing method is employed in that case.
【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。The metal component of the brazing material in the active metal brazing method contains silver and copper as main components, and uses the active metal as a sub-component in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. The proportion of the active metal is 3 to 35 parts per 100 parts of the total amount of 70 to 100 parts of silver (the same applies to “parts by weight” hereinafter) and 30 to 0 parts of copper. The heat treatment conditions for joining
Under a high vacuum of about 1 × 10 −4 Torr or more, at a temperature of 780
Hold at 830 ° C. for 5 to 30 minutes.
【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。Also, the joining of the ceramic sintered body and the metal plate can be performed 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 suitably made of copper or aluminum. In this case, an active metal brazing method is employed.
【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、１×１
０-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下、温度６２０〜６３０
℃で３〜１０分間の保持である。In the active metal brazing method, when the metal plate is made of copper, it is joined by the above method. On the other hand, when the metal plate is aluminum or a clad foil containing aluminum as a constituent material, the metal component of the brazing material is mainly composed of Al and Si, and copper and copper are used in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. Active metal is a secondary component. As the active metal, titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium and compounds thereof are used.
These proportions are 1 to 35 parts of the active metal per 100 parts of the total of 70 to 95 parts of aluminum, 30 to 5 parts of silicon and 1 to 5 parts of copper. The heat treatment conditions for joining are 1 × 1
Under a high vacuum of about 0 -4 Torr or more, at a temperature of 620 to 630
C. for 3-10 minutes.
【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。In the active metal brazing method, the metal component of the brazing material is usually mixed with an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component, and mixed with a roll, a kneader, a universal mixer, a mill or the like. It is used after preparing a paste. Examples of the organic solvent include methylcellosolve, terpineol, isophorone, and toluene, and examples of the organic binder include ethylcellulose, methylcellulose, and polymethacrylate.
【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。Next, a circuit board used in the present invention will be described. In the present invention, a circuit board is used in which a metal circuit is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal radiator plate is formed on the other surface.
【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。The material of the ceramic substrate is silicon nitride,
Aluminum nitride, alumina, etc., are suitable for power modules. In particular, the thermal conductivity is 120 W / mK or more, the bending strength is 35 kg / mm 2 or more, and the volume resistivity in air at 150 ° C. is 1 × 10 13 Ω ·
cm or more of an aluminum nitride sintered body is preferable, and its manufacturing method is described in detail in Examples of the specification attached to Japanese Patent Application No. 9-121995.
【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。The material of the metal circuit and the metal radiator plate is preferably copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, or copper-third metal-aluminum clad foil in consideration of electric conductivity and heat conductivity. As the third metal of the clad foil, nickel, titanium, chromium, zirconium,
Copper and aluminum are preferred, with nickel being preferred.
Of these, aluminum, aluminum alloy, copper
Nickel-aluminum cladding is preferred, with copper-nickel-aluminum cladding foil being most preferred.
【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。The thickness of the metal circuit is desirably 0.1 to 0.5 mm. If the thickness is too small, the current capacity becomes small and the capacity of the circuit is limited. If the thickness is too large, thermal stress due to the difference in thermal expansion is large on the ceramic substrate, and the reliability of the circuit substrate is reduced.
【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。The thickness of the metal radiator plate is 0.1 to 1.0 mm
It is desirable that If the thickness is too small, the effect of alleviating the thermal stress between the circuit board and the base copper plate decreases, and if the thickness is too large, a large thermal stress is applied to the ceramic substrate.
【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。As a method of forming a metal circuit and a metal heat radiating plate on a ceramics substrate (that is, fabricating a circuit substrate), there are a method of etching a joined body of a ceramic substrate and a metal, a method of forming a circuit or a heat radiating plate punched out of a metal. It can be performed by a method of bonding a pattern to a ceramic substrate or the like.
【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。The bonding of the metal or the pattern can be performed 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 a power module, an active metal brazing method is employed in that case.
【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。The metal components in the active metal brazing method include:
The material of the metal circuit and / or metal radiator plate is aluminum,
In the case of an aluminum alloy or a copper-nickel-aluminum clad foil, it is desirable that the aluminum surface be bonded to the ceramic substrate via a bonding layer having an alloy layer containing an Al component and a Si component. As described above, a material containing Al and Si as main components and copper and an active metal as subcomponents is used. On the other hand, when the material of the metal circuit and / or the metal radiator plate is copper or a copper alloy, as described above, a material containing silver and copper as main components and an active metal as a subcomponent is used.
【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。Next, the base copper plate used in the present invention is:
It is desirable that the thickness be 5 mm or less. If the thickness is too thin, thermal shock to a heat cycle cannot be reduced, 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 joining the circuit board, a groove, a depression, 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. Further, by applying a nickel plating of about 3 to 20 μm to the base copper plate, the bonding with the metal radiator plate becomes strong and easy.
【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。To join the circuit board and the base copper plate,
A method of joining a circuit board and a base copper plate, which have been prepared in advance, by an active metal brazing method, or a method of joining a base copper sheet at the same time as the production of a circuit board by utilizing heat at the time of producing the circuit board, are adopted. The base copper plate is
It is joined to the metal heat sink surface of the circuit board.
【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６２０〜６３
０℃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。When the material of the metal radiator plate to be bonded to the circuit board is aluminum, aluminum alloy, or copper-third metal-aluminum clad foil, which is suitable for improving heat cycle resistance, the metal radiator plate and the base copper plate are used. Are preferably joined via a joining layer having an alloy layer containing an Al component and a Ni component. in this case,
A nickel-plated base copper plate is used as the base copper plate, and the heat treatment for bonding is 1 × 10 −4 Torr.
It is performed under a high vacuum of a degree or more. As the heating furnace, a heating furnace capable of rapidly raising the temperature and capable of delicate temperature control, such as an infrared heating furnace, is desirable. Heating is performed by raising the temperature to near the eutectic point of aluminum and nickel, slightly melting the interface between aluminum and nickel, and then cooling at a rate of 1 ° C./min or more. Specifically, the temperatures 620 to 63
After holding at 0 ° C. for 3 to 10 minutes, it is cooled at a rate of 1 ° C./min or more. According to such a bonding structure, an electronic component having much higher reliability than a conventional soldering method using Pb-Sn eutectic solder is obtained.
【００２７】[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。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples.
【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、１
９００℃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／ｍｍ 2
熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）を製造した。Production of ceramic substrate 96 parts of aluminum nitride powder and 4 parts of yttria powder
Premixed for 30 minutes in a mortar mill, and 1 part of oleic acid was added.
The mixture was further mixed for 30 minutes. Add methylcellulose to this mixture
, And mix for 1 minute with a high-speed mixer.
A mixed solution of 3 parts of serine and 12 parts of water was stirred in a mixer.
While mixing for 2 minutes to obtain a granulated product. This granulate
After kneading with a roll, extrude while performing vacuum degassing.
It was put into a forming machine and extruded into a green sheet shape. Next
Then, this is the size of 58mm × 45mm × 0.65mm
And dried at 80 ° C for 20 minutes and then in air at 500 ° C.
After heating for 1 hour to remove the binder,
Atmospheric pressure sintering is performed under the condition of holding at 900 ° C. for 1 hour,
Aluminum nitride substrate (Bending strength: 40 kg / mm Two
Thermal conductivity: 170 W / mK).
【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。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 solid solution of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate as an organic binder were added and kneaded to prepare a brazing filler metal paste. This brazing material paste was applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate manufactured above. The coating amount (after drying) at that time was 6 to 8 mg / cm 2 .
【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１×１０-5Ｔｏｒ
ｒ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。Next, a copper plate (thickness: 0.3 mm) was placed in contact with the brazing material paste application surface, and the degree of vacuum was 1 × 10 −5 Torr.
After heating at 900 ° C. for 30 minutes under high vacuum below r,
The joined body was manufactured by cooling at a temperature lowering rate of 2 ° C./min.
【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。After applying a UV curing type etching resist on the copper plate of the joined body by screen printing,
An unnecessary portion of the copper plate is dissolved and removed by performing an etching process using a cupric chloride solution, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution to form a copper circuit pattern (pattern ratio of 80%) on one surface and vice versa. A solid copper pattern (57 mm × 44 mm, corner R2 mm) was formed on the surface. Since there is a reaction product between the residual unnecessary brazing material and the active metal component and the aluminum nitride substrate between the copper circuit patterns, the reaction product was removed by immersion in a 10% ammonium fluoride solution at a temperature of 60 ° C. for 10 minutes. Next, nickel plating (5 μm thickness) was performed to produce a circuit board A.
【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。Preparation of Circuit Board B To 100 parts of a 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, 15 parts of terpineol and a toluene solution of polyisobutyl methacrylate were added. A brazing filler metal paste was prepared by kneading, and the paste was applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate produced above. Application amount at that time (after drying)
Was 3 mg / cm 2 .
【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６
４０℃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。Next, an aluminum plate (purity: 99.5%, thickness: 0.5 mm) was placed in contact with the surface to which the brazing material paste was applied, and was heated under a high vacuum at a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Torr or less and at a temperature of 6 °
After heating at 40 ° C. for 30 minutes, the joined body was cooled by cooling at a rate of 2 ° C./min.
【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。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 to remove a portion between the aluminum plate unnecessary portion and the aluminum circuit. The existing unnecessary brazing material is dissolved and removed, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution. An aluminum circuit (pattern ratio: 80%) is provided on one side, and a solid aluminum pattern (57 mm × 44 mm, corner R2 mm) is provided on the other side. ) To prepare a circuit board B having a metal heat sink.
【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Ｒ２
ｍｍ）からなる金属放熱板を有する回路基板Ｃを作製し
た。Fabrication of Circuit Board C A nickel body (5 μm thick) was applied to only one surface of a bonded body (a bonded body in which an aluminum plate was bonded to both sides of an aluminum nitride substrate) manufactured in the process of manufacturing the circuit board B. A copper plate with a thickness of 0.3 mm is placed in contact with it, and it is heated under a high vacuum with a degree of vacuum of 0.1 Torr or more in a bonding furnace of an infrared heating method.
Bonding was performed by holding at 630 ° C. × 5 minutes. The obtained joined body was etched in the same manner as in the production of 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, Corner R2
mm) having a metal heat sink.
【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。The bonding between the circuit board and the base copper plate was performed as shown in Table 1.
【００３７】[0037]
【表１】 [Table 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。The joining of the circuit board, the base copper plate and the ceramic sintered body was performed as shown in Table 2.
【００３９】[0039]
【表２】 [Table 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。The circuit board, the base copper plate, the ceramic sintered body and the metal plate were joined as shown in Table 3.
【００４１】[0041]
【表３】 [Table 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。Examples 1 to 8 Comparative Examples 1 to 5 Production of circuit boards A, B or C, and electronic parts produced by variously changing the method of joining the circuit boards to a base copper plate, a ceramic sintered body, and a metal plate. . With respect to the obtained electronic component, warpage, heat cycle resistance, and crack occurrence rate of the ceramic substrate were measured as follows. Table 4 shows the production conditions of the electronic components and their results.
【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。(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 one cycle consists of holding in the air at -40 ° C for 30 minutes, then standing at 25 ° C for 10 minutes, further holding at 125 ° C for 30 minutes, and then standing at 25 ° C for 10 minutes. Was performed, and the number of first heat cycles in which one out of ten electronic components had defects such as peeling and destruction was measured. (3) Crack generation rate: The metal circuit portion of the electronic component after 300 heat cycles was dissolved and removed.
The crack length generated on the ceramic substrate surface around the metal circuit was measured, and the ratio of the crack length to the entire circumference of the metal circuit was calculated.
【００４４】[0044]
【表４】 （注）不良品の全ては、回路基板とベース銅板との間の
界面剥離であった。[Table 4] (Note) All of the defective products were interface peeling between the circuit board and the base copper plate.
【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。Further, with respect to 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 radiator plate of the circuit board and the base copper plate was determined by EPMA (Electron Beam Micrometer). (Analyzer). As a result, in each of the bonding layers, the alloy layer containing Al—Ni—Cu was about 3 μm, and the alloy layer containing Al—Ni—Si was 5 μm.
About 8 μm in the alloy layer made of Al—Ni.
【００４６】[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。According to the present invention, there is provided an electronic component having a circuit board excellent in heat cycle resistance and capable of greatly reducing the assembly of the power module.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Katsunori Terano 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Prefecture Inside the Omuta Plant of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
Claims (4)
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。1. A circuit board having a metal circuit formed on one side of a ceramic substrate and a metal radiator plate formed on the other side,
An electronic component, comprising: a base copper plate joined to a metal radiator plate of the circuit board; and a ceramic sintered body joined to the base copper plate.
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。2. The electronic component according to claim 1, wherein a metal plate is further joined to the opposite surface of the ceramic sintered body.
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。3. The metal radiator plate is made of aluminum, an aluminum alloy, or a copper-third metal-aluminum clad foil, and the base copper plate is a nickel-plated copper plate, and both have 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 including the alloy layer.
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。4. A metal substrate and / or a metal radiator plate is made of a copper-nickel-aluminum clad foil, and the aluminum surface of the metal substrate and / or the metal substrate is disposed on a ceramic substrate via a bonding layer having an alloy layer containing an Al component and a Si component. The electronic component according to claim 3, wherein the electronic component is joined to the electronic component.
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|---|---|---|---|---|
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