JPH11354698A - Circuit board with heat sink - Google Patents
Circuit board with heat sinkInfo
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- JPH11354698A JPH11354698A JP10155686A JP15568698A JPH11354698A JP H11354698 A JPH11354698 A JP H11354698A JP 10155686 A JP10155686 A JP 10155686A JP 15568698 A JP15568698 A JP 15568698A JP H11354698 A JPH11354698 A JP H11354698A
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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
用電子回路部品、特にインテリジェントパワーモジュー
ルに好適なヒートシンク付き回路基板に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic circuit component for a power module, and more particularly to a circuit board with a heat sink suitable for 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、大電力モジュール回路基板では様々な
方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、その
基板上に銅板などの金属板を接合し回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理をしてから半導体を実装
し、またセラミックス基板の反対面には放熱銅板を接合
し、更に放熱銅板には厚さ数ｍｍ程度の銅ベース板を半
田付けしてからアルミニウム、銅等のヒートシンクにネ
ジ止めして使用されている。[0002] In recent years, with the advancement of the performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of high-power modules such as high-power and high-efficiency inverters has been progressing, and the heat generated from semiconductor elements has been increasing steadily. . In order to efficiently dissipate this heat, various methods have been used for high power module circuit boards. Recently, a ceramic substrate having good heat conduction has become available, so a metal plate such as a copper plate is bonded on the substrate to form a circuit, and then a semiconductor is mounted as it is or after plating or the like. In addition, a heat-dissipating copper plate is bonded to the opposite surface of the ceramic substrate, and a copper base plate having a thickness of about several mm is soldered to the heat-dissipating copper plate and then screwed to a heat sink such as aluminum or copper. .
【０００３】しかしながら、このようなヒートシンク付
き回路基板を高温環境下で使用すると、外部からの機械
的衝撃を受けなくてもセラミックス基板にクラックが生
じることがある。その理由は、アルミニウム、銅等のヒ
ートシンクの熱膨張係数は１６〜２３×１０-6／℃であ
り、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の４〜７×
１０-6／℃程度と異なっているので、ヒートサイクルを
受けた場合に、熱応力がセラミックス基板に残るためで
ある。[0003] However, when such a circuit board with a heat sink is used in a high-temperature environment, cracks may occur in the ceramics substrate without receiving a mechanical shock from the outside. The reason is that the coefficient of thermal expansion of a heat sink such as aluminum or copper is 16 to 23 × 10 −6 / ° C., and the coefficient of thermal expansion of a ceramic substrate such as aluminum nitride is 4 to 7 × 10 −6.
This is because the thermal stress remains on the ceramic substrate when subjected to a heat cycle since it is different from about 10 −6 / ° C.
【０００４】そこで、熱伝導性が良好で熱膨張係数をセ
ラミックス基板のそれに近づけた、炭化ケイ素焼結体に
アルミニウムを含浸させた構造のヒートシンクの使用が
提案されている（特開平９−１５７７７３号公報）が、
このものは切削等の加工性がよくないので、回路基板の
生産性に問題があった。また、銅ベース板の半田付け
や、ヒートシンクのネジ止め等の際に、異物を挟み込ま
ないように細心の注意が必要であり、それも生産性が向
上しない一因であった。Therefore, it has been proposed to use a heat sink having good thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion close to that of a ceramic substrate and having a structure in which aluminum is impregnated in a silicon carbide sintered body (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-157773). Gazette)
Since this has poor workability such as cutting, there is a problem in circuit board productivity. In addition, when soldering the copper base plate or screwing the heat sink, it is necessary to pay close attention to prevent foreign matter from being caught, which is one factor that does not improve the productivity.
【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、ヒートサイクルに対する信頼性
と生産性の大なるヒートシンク付き回路基板を提供する
ことを目的とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a circuit board with a heat sink having a high reliability with respect to a heat cycle and a high productivity.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に回路、反対面に放熱板が形
成されてなる回路基板の放熱板に、ベース板を介して又
は介さずにヒートシンクが取り付けられてなるものにお
いて、上記ヒートシンクの材質が、シリカアルミナ質繊
維強化のアルミニウム又はアルミニウム合金であること
を特徴とするヒートシンク付き回路基板であり、特に上
記ヒートシンクと、上記回路基板の放熱板又はベース板
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なるものであることを特徴とする
ものである。That is, the present invention is directed to a circuit board having a ceramic substrate on one side of which a circuit is formed and a heat radiating plate formed on the other side, with or without a base plate interposed therebetween. A circuit board with a heat sink, wherein the material of the heat sink is aluminum or an aluminum alloy reinforced with silica-alumina fiber, and in particular, the heat sink and a radiator plate of the circuit board Alternatively, the base plate and the base plate are joined via a joining layer in which an alloy layer containing an Al component and a Ni component is present.
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
ると、本発明に用いられるセラミックス基板の材質は、
窒化珪素、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
明細書の実施例に詳記されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The material of a ceramic substrate used in the present invention is as follows.
Examples thereof include silicon nitride, aluminum nitride, and alumina, and aluminum nitride is suitable for power modules.
In particular, thermal conductivity of 120 W / mK or more, bending strength of 35 kg
/ Mm 2 or more, volume resistivity 1 × in air at 150 ° C.
An aluminum nitride sintered body of 10 13 Ω · cm or more is suitable, and its manufacturing method is described in detail in Examples of Japanese Patent Application No. 9-121995.
【０００８】上記回路、上記放熱板及び上記ベース板の
材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮すると銅
又は銅合金が最適である。熱応力に対する耐久性を重ん
じる場合は、アルミニウム又アルミニウム合金が用いら
れる。更には、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔
を用いることもでき、それによって銅の電気伝導性とア
ルミニウムの耐久性の両方を備えたものとなる。クラッ
ド箔における第三金属の具体例は、ニッケル、チタン、
クロム、ジルコニウム等である。The material of the circuit, the heat radiating plate and the base plate is optimally copper or copper alloy in consideration of electric conductivity and heat conductivity. When importance is placed on durability against thermal stress, aluminum or an aluminum alloy is used. Further, a copper-third metal-aluminum clad foil may be used, thereby providing both the electrical conductivity of copper and the durability of aluminum. Specific examples of the third metal in the clad foil are nickel, titanium,
Chromium, zirconium and the like.
【０００９】回路、放熱板及びベース板に用いられる上
記金属は、その表面にニッケルメッキが施されたもので
あってもよい。特に後述のように、放熱板とベース板、
放熱板とヒートシンクを接合する際にその接合層にＡｌ
成分とＮｉ成分を含む合金層を存在させたり、また銅−
ニッケル−アルミニウムクラッド構造の回路や放熱板を
セラミックス基板に形成させる場合には、金属のいずれ
か一方又は両方にニッケルメッキが施されていることが
好ましい。ニッケルメッキの厚みとしては、３〜２０μ
ｍ程度である。The metal used for the circuit, the heat radiating plate and the base plate may be one whose surface is plated with nickel. In particular, as described later, a heat sink and a base plate,
When joining the heat sink and the heat sink, Al
Alloy layer containing Ni and Ni components,
When a circuit having a nickel-aluminum clad structure or a heat sink is formed on a ceramics substrate, it is preferable that one or both of the metals are plated with nickel. Nickel plating thickness is 3-20μ
m.
【００１０】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、また厚みが厚すぎると熱膨
張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかるの
で回路基板の耐久性が低下する。The thickness of the 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, the thermal stress due to the difference in thermal expansion is applied to the ceramic substrate, so that the durability of the circuit substrate is reduced.
【００１１】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
ス板又はヒートシンクとの間の緩衝効果が小さくなり、
また厚みが厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応
力を与えることになるので回路基板の耐久性が低下す
る。The thickness of the heat sink is desirably 0.1 to 1.0 mm. If the thickness is too thin, the buffer effect between the circuit board and the base plate or the heat sink becomes small,
On the other hand, if the thickness is too large, a large thermal stress is applied to the ceramic substrate, so that the durability of the circuit board is reduced.
【００１２】更には、ベース板の厚みは、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、またろう材の
金属成分が放熱板に拡散し熱伝導特性が変化する。ま
た、厚みが厚すぎると重くなり、取り扱いにくいものと
なる。このようなベース板は、本発明においては、必ず
しも必要ではなく、回路基板の放熱板にヒートシンクを
直接接合することもできる。ベース板を介してヒートシ
ンクを放熱板に取り付けることによって、ヒートサイク
ルに対する熱衝撃を著しく緩和することができ、耐久性
が一段と向上するという利点がある。Further, the thickness of the base plate is desirably 5 mm or less. If the thickness is too small, the thermal shock to the heat cycle cannot be alleviated, and the metal component of the brazing material diffuses to the radiator plate to change the heat conduction characteristics. On the other hand, if the thickness is too large, it becomes heavy and becomes difficult to handle. Such a base plate is not always necessary in the present invention, and a heat sink can be directly joined to a heat sink of a circuit board. By attaching the heat sink to the heat sink through the base plate, the thermal shock to the heat cycle can be remarkably reduced, and there is an advantage that the durability is further improved.
【００１３】回路及び放熱板をセラッミクス基板に形成
（ヒートシンクを有さない回路基板を作製）する方法と
しては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチ
ングする方法、金属板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 for forming a circuit and a heat radiating plate on a ceramics substrate (producing a circuit board having no heat sink), a method of etching a joined body of a ceramics substrate and a metal plate, a circuit punched from a metal plate or It can be performed by a method of bonding the pattern of the heat sink to the ceramic substrate or the like.
【００１４】金属板又はパターンの接合は、活性金属成
分を含むろう材によるろう付け法、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基板が窒化アルミニウム基
板で、金属は銅が適しているので、その場合は活性金属
成分を含むろう材によるろう付け法が用いられる。The metal plate or pattern can be joined by a brazing method using a brazing material containing an active metal component, a joining method using an organic adhesive, a DBC method, or the like. For a power module, the ceramic substrate is an aluminum nitride substrate, and copper is suitable for the metal. In this case, a brazing method using a brazing material containing an active metal component is used.
【００１５】活性金属成分を含む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。活性金
属成分の具体例をあげれば、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
化合物である。これらの割合としては、銀７０〜１００
部（重量部、以下同じ）、銅３０〜０部の合計量１００
部あたり活性金属３〜３５部である。The metal component of the brazing filler metal containing the active metal component is as follows:
The main component is silver and copper, and the active metal is a subcomponent in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. Specific examples of the active metal component include titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium and compounds thereof. These ratios are 70 to 100 silver.
Parts (parts by weight, the same applies hereinafter), the total amount of 30 to 0 parts of copper 100
The active metal is 3 to 35 parts per part.
【００１６】アルミニウム又はその合金からなる金属板
又はパターンをセラミックス基板に接合する場合は、ろ
う材の成分は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。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１
００部あたり、活性金属１〜３５部である。When a metal plate or pattern made of aluminum or an alloy thereof is joined to a ceramic substrate, the brazing material is mainly composed of Al and Si, and copper is used to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. And an active metal as an auxiliary component. These proportions are from aluminum 70 to
95 parts, 30 to 5 parts of silicon and 1 to 5 parts of copper, total amount 1
The active metal is 1 to 35 parts per 00 parts.
【００１７】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し、ペーストを調
製して使用される。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
機結合剤としては、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。The metal component of the brazing material is usually prepared by adding an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component, mixing the mixture with a roll, a kneader, a universal mixer, a grinder, etc. to prepare a paste. Is done. Examples of the organic solvent include methylcellosolve, terpineol, isophorone, and toluene, and examples of the organic binder include ethylcellulose, methylcellulose, and polymethacrylate.
【００１８】本発明で使用されるヒートシンクの材質
は、シリカアルミナ質繊維で強化されたアルミニウム又
アルミニウム合金である。The material of the heat sink used in the present invention is aluminum or aluminum alloy reinforced with silica-alumina fiber.
【００１９】シリカアルミナ質繊維としては、アルミナ
含有量が６０重量％以上、特に８０重量％以上で、平均
繊維径が１〜１０μｍ、平均繊維長０．５ｍｍ以上であ
るものが好ましく、これによって強化されたアルミニウ
ム又はアルミニウム合金の熱膨張係数はセラミックス基
板のそれに近くなる。一方、アルミニウム又はアルミニ
ウム合金としては、アルミニウムの他に、アルミニウム
とシリコン等との合金が使用されるが、なかでもＡＣ３
Ａ（ＪＩＳ規格）が最適である。As the silica-alumina fiber, those having an alumina content of 60% by weight or more, particularly 80% by weight or more, an average fiber diameter of 1 to 10 μm, and an average fiber length of 0.5 mm or more are preferable, whereby the reinforcement is achieved. The thermal expansion coefficient of the aluminum or aluminum alloy thus obtained is close to that of the ceramic substrate. On the other hand, as aluminum or an aluminum alloy, besides aluminum, an alloy of aluminum and silicon is used.
A (JIS standard) is optimal.
【００２０】シリカアルミナ質繊維とアルミニウム又は
アルミニウム合金の割合は、シリカアルミナ質繊維を２
０〜４０体積％、特に３０体積％程度含んでいることが
好ましく、このような繊維強化アルミニウム又はアルミ
ニウム合金は、シリカアルミナ質繊維からなる成型密度
０．５〜２．３ｇ／ｃｍ3 のプリフォームを成形し、そ
れにアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるこ
とによって製造することができる。プリフォームの成型
密度が０．５ｇ／ｃｍ3よりも小さいとヒートシンクの
熱膨張係数が大きくなり、また２．３ｇ／ｃｍ3 をこえ
ると熱伝導性が低下する。The ratio of the silica-alumina fiber to aluminum or aluminum alloy is such that the silica-alumina fiber is 2
It is preferable to contain about 0 to 40% by volume, particularly about 30% by volume, and such a fiber-reinforced aluminum or aluminum alloy is a preform having a molding density of 0.5 to 2.3 g / cm 3 made of silica-alumina fiber. Can be manufactured by impregnating it with aluminum or an aluminum alloy. When the molding density of the preform is less than 0.5 g / cm 3, the coefficient of thermal expansion of the heat sink increases, and when it exceeds 2.3 g / cm 3 , the thermal conductivity decreases.
【００２１】シリカアルミナ質繊維のプリフォームにア
ルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるには、プ
リフォームを２００〜６００℃程度の温度に予熱し、３
００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で行うことが好まし
い。予熱温度が２００℃未満では溶融した金属との温度
差が大きく、含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、
また６００℃をこえると冷却速度が小さくなり生産性が
低下する。一方、含浸圧力が３００ｋｇｆ／ｃｍ2 未満
では含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、また７０
０ｋｇｆ／ｃｍ2 をこえるとプリフォームの圧密化が発
生する。In order to impregnate the silica or alumina fiber preform with aluminum or an aluminum alloy, the preform is preheated to a temperature of about 200 to 600 ° C.
It is preferable to carry out at a pressure of 00 to 700 kgf / cm 2 . If the preheating temperature is lower than 200 ° C., the temperature difference from the molten metal is large, and the impregnation rate decreases and the impregnation varies,
On the other hand, when the temperature exceeds 600 ° C., the cooling rate is reduced, and the productivity is reduced. On the other hand, if the impregnation pressure is less than 300 kgf / cm 2 , the impregnation rate will decrease and the impregnation will vary.
If it exceeds 0 kgf / cm 2 , the preform will be compacted.
【００２２】アルミニウム又はアルミニウム合金を含浸
・冷却後、繊維長と平行方向に部材を切り出す。得られ
た部材は、高熱伝導性で、セラミックスに近い熱膨張係
数を有し、しかも切削加工性にも優れているので、本発
明の回路基板のヒートシンク材に適している。この部材
を、本発明の回路基板のヒートシンクとして、回路基板
の放熱板に、ベース板を介して又は介さずに取り付ける
には、シリカアルミナ質繊維長と平行な面を放熱板又は
ベース板に接合する。After impregnating and cooling with aluminum or an aluminum alloy, the member is cut out in a direction parallel to the fiber length. The obtained member has high thermal conductivity, has a thermal expansion coefficient close to that of ceramics, and is excellent in machinability, and thus is suitable for a heat sink material of a circuit board of the present invention. To attach this member to the heat sink of the circuit board as a heat sink of the circuit board of the present invention, with or without the base plate, a surface parallel to the length of the silica-alumina fiber is joined to the heat sink or the base plate. I do.
【００２３】ヒートシンクの形状は、放熱板又はベース
板よりも広い面積を持ち、平板形状、直方体形状ないし
はフィン形状が使用される。The shape of the heat sink has a larger area than the heat radiating plate or the base plate, and a flat plate shape, a rectangular parallelepiped shape or a fin shape is used.
【００２４】ヒートシンクを回路基板の放熱板に取り付
ける場合は、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層を存在さ
せた接合層を介して行われるが、ヒートシンクをベース
板に取り付ける場合には、この接合層を介在させる方法
の他に、ネジ止め等の物理的手段によっても行うことが
できる。When the heat sink is attached to the heat radiating plate of the circuit board, the heat sink is attached through a joining layer in which an alloy layer containing an Al component and a Ni component is present. Can be performed by physical means such as screwing, in addition to the method of interposing.
【００２５】回路基板とベース板とヒートシンク、又は
回路基板とヒートシンクとを一体化し、本発明のヒート
シンク付き回路基板を製作するには、それらの一つ一つ
を接合する方法、任意の２以上の部材を予め接合してお
きそれらを接合する方法、回路基板作製時の熱源を利用
して、回路基板の作製と同時に全ての部材又は一部の部
材を接合する方法が採用される。In order to integrate the circuit board and the base plate with the heat sink or the circuit board and the heat sink to produce the circuit board with the heat sink of the present invention, a method of joining each one of them, an arbitrary two or more A method of joining members in advance and joining them, and a method of joining all members or a part of members at the same time as producing a circuit board by using a heat source at the time of producing a circuit board are employed.
【００２６】本発明の特徴の一つは、これらの部材の接
合において、ヒートシンクと回路基板の放熱板とを、又
はヒートシンクとベース板とを、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
とである。これによって、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶半田に
よる半田付け法よりも、高い信頼性を有するヒートシン
ク付き回路基板となる。One of the features of the present invention is that in joining these members, a heat sink and a heat sink of a circuit board or a heat sink and a base plate are joined together in the presence of an alloy layer containing an Al component and a Ni component. That is, they are joined via layers. As a result, a circuit board with a heat sink having higher reliability than the conventional soldering method using Pb-Sn eutectic solder is obtained.
【００２７】このような接合層を介在させて接合するに
は、放熱板（ベース板を介在させる場合はベース板）又
はヒートシンクのいずれか又は両方にニッケルメッキを
施し、それらを直接接触配置し、加熱処理することによ
って行うことができる。熱処理は、１×１０-4Ｔｏｒｒ
程度の真空下で行われ、その加熱炉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３〜１
０分間の保持を行ってから１℃／分以上の速度で冷却す
る。In order to join with such a joining layer interposed, one or both of the heat sink (base plate when the base plate is interposed) and the heat sink are plated with nickel, and they are placed in direct contact with each other. The heat treatment can be performed. Heat treatment is performed at 1 × 10 -4 Torr
The heating is carried out under a vacuum of a certain degree, and the heating furnace is desirably one capable of rapidly increasing the temperature and capable of delicate temperature control, such as an infrared heating furnace. 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, at a temperature of 620 to 630 ° C., 3 to 1
After holding for 0 minutes, cool at a rate of 1 ° C./min or more.
【００２８】[0028]
【実施例】以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を
説明する。The present invention will be described below more specifically with reference to examples.
【００２９】ヒートシンクの作製 表１に示すシリカアルミナ質繊維からなるプリフォーム
を５００℃で予熱し、７５０℃で溶融したアルミニウム
合金（ＡＣ３Ａ）に浸漬した。含浸圧力は５００ｋｇｆ
／ｃｍ2 とし、含浸速度は１２．５ｍｍ／ｓｅｃとし
た。冷却後、部材を取り出してヒートシンク材とし、そ
のレーザーフラッシュ法による熱伝導率、熱膨張係数及
びフライス盤による切削加工性を評価した。切削加工性
は、アルミニウム合金（ＡＣ３Ａ）加工時の加工速度と
遜色ないものを○とした。それらの結果を表１に示す。Preparation of Heat Sink A preform made of the silica-alumina fiber shown in Table 1 was preheated at 500 ° C. and immersed in an aluminum alloy (AC3A) melted at 750 ° C. Impregnation pressure is 500kgf
/ Cm 2 and the impregnation speed was 12.5 mm / sec. After cooling, the member was taken out and used as a heat sink material, and its thermal conductivity, coefficient of thermal expansion by laser flash method, and machinability by a milling machine were evaluated. Regarding the machinability, a mark that is not inferior to the processing speed at the time of processing an aluminum alloy (AC3A) was evaluated as ○. Table 1 shows the results.
【００３０】[0030]
【表１】 [Table 1]
【００３１】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×０．６３５ｍｍ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を製造した。得られた窒化ア
ルミニウム基板の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫ、抗折強度
は３７ｋｇ／ｍｍ2 、１５０℃空気中における体積抵抗
率は１×１０14Ω・ｃｍであった。Production of Ceramic Substrate 96 parts of aluminum nitride powder and 4 parts of yttria powder were preliminarily mixed in a ball mill for 30 minutes, 1 part of oleic acid was added and mixed for another 30 minutes. To this mixture, 8 parts of methylcellulose was added, mixed for 1 minute with a high-speed mixer, and then 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. After the granulated product was kneaded with a roll, it was put into an extruder while performing vacuum degassing, and extruded into a green sheet shape. Next, this was punched into a size of 58 mm × 45 mm × 0.635 mm, dried at 80 ° C. × 20 minutes, and then dried in air at 500 ° C.
After heating for 1 hour to remove the binder, under a reducing atmosphere,
Under normal pressure sintering at 1900 ° C. for one hour, an aluminum nitride substrate was manufactured. The obtained aluminum nitride substrate had a thermal conductivity of 130 W / mK, a transverse rupture strength of 37 kg / mm 2 , and a volume resistivity in air of 150 ° C. of 1 × 10 14 Ω · cm.
【００３２】回路基板Ａの作製 銀粉末７５部、銅粉末２５部、ジルコニウム粉末１５
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製した。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６〜８
ｍｇ／ｃｍ2 とした。Preparation of Circuit Board A 75 parts of silver powder, 25 parts of copper powder, 15 parts of zirconium powder
Part, 15 parts of terpineol, and 1 part of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate as an organic binder were added at a solid content, and kneaded to prepare a brazing material 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 is 6 to 8
mg / cm 2 .
【００３３】次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板（厚
み０．３ｍｍ）を接触配置してから、真空度１×１０-5
Ｔｏｒｒ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, after a copper plate (thickness: 0.3 mm) is placed in contact with the surface to which the brazing material paste is applied, the degree of vacuum is 1 × 10 −5.
After heating at a temperature of 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of Torr or lower, the joined body was manufactured by cooling at a temperature lowering rate of 2 ° C./min.
【００３４】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を、ま
たその反対面にはベタ銅パターン（５７ｍｍ×４４ｍ
ｍ、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,
Unnecessary portions of the copper plate are 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 on one side and a solid copper pattern on the other side. (57mm x 44m
m, corner R2 mm). Between the copper circuit patterns, there are reactants between the unnecessary unnecessary brazing material and the active metal component and the aluminum nitride substrate.
It was immersed in a 10% ammonium fluoride solution for 10 minutes and removed. Next, nickel plating (5 μm thickness) was performed to produce a circuit board A.
【００３５】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３．０ｍｇ／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 3.0 mg / cm 2 .
【００３６】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 placed under a high vacuum at a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Torr or less and at a temperature of 6 ° C.
After heating at 40 ° C. for 30 minutes, the joined body was cooled by cooling at a rate of 2 ° C./min.
【００３７】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、反対面にはベタアルミニウムパタ
ーン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）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 an unnecessary portion between the aluminum plate unnecessary portion and the aluminum circuit. The existing unnecessary brazing material and the like are dissolved and removed, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution to obtain a circuit board B having an aluminum circuit on one side and a solid aluminum pattern (57 mm × 44 mm, corner R2 mm) on the other side. Produced.
【００３８】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）の両面に、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以下の高真空下、６
３０℃×５分の条件で接合を行った。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回路、他方の面に同構造のクラッド
箔からなる放熱板を有する回路基板Ｃを作製した。Preparation of Circuit Board C Nickel plating (thickness: 5 μm) was applied to both surfaces 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 having a thickness of 0.3 mm is placed in contact with the plate and placed in a high-vacuum vacuum of 0.1 Torr or less in a bonding furnace of an infrared heating method.
Joining was performed at 30 ° C. × 5 minutes. The obtained joined body is etched in the same manner as in the production of the circuit board B, and a circuit composed of an aluminum-nickel-copper clad foil is provided on one surface of the aluminum nitride substrate, and a heat dissipation plate composed of a clad foil having the same structure is provided on the other surface. Was prepared.
【００３９】ベース板の接合 表２に示すａ〜ｃによって、回路基板の放熱板にベース
板を接合した。The base plate was joined to the heat sink of the circuit board according to a to c shown in Table 2.
【００４０】[0040]
【表２】 [Table 2]
【００４１】ヒートシンクの取り付け 表３に示す〜によって、回路基板の放熱板にベース
板を介して又は介さずにヒートシンクを取り付けた。Attachment of heat sink A heat sink was attached to a radiator plate of a circuit board with or without a base plate according to Table 3 below.
【００４２】[0042]
【表３】 [Table 3]
【００４３】実施例１〜９ 比較例１ 回路基板の作製、ベース板の接合及びヒートシンクの取
り付けを、表４に示す種々の組合せによってヒートシン
ク付き回路基板を作製した。Examples 1 to 9 Comparative Example 1 A circuit board with a heat sink was manufactured by various combinations shown in Table 4 for manufacturing a circuit board, joining a base plate, and attaching a heat sink.
【００４４】得られたヒートシンク付き回路基板のヒー
トサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒートサイクル試
験は、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サイクルとして行い、回路基板１０枚のうち
少なくとも１枚が銅板剥離や、ヒートシンクとの界面で
破壊した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。それらの結果を表４に示す。A heat cycle (thermal shock) test was performed on the obtained circuit board with a heat sink. The heat cycle test was performed in the air, after holding at -40 ° C for 30 minutes, leaving at 25 ° C for 10 minutes, and further holding at 125 ° C for 30 minutes, then leaving at 25 ° C for 10 minutes as one cycle. The number of first heat cycles in which at least one of the sheets had a defect such as peeling of a copper plate or breakage at an interface with a heat sink was measured. Table 4 shows the results.
【００４５】また、実施例１〜９で得られた回路基板に
ついて、回路基板の放熱板又はベース銅板とヒートシン
ク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、Ａ
ｌ−Ｎｉからなる合金層が８μｍ程度含まれていた。Further, for the circuit boards obtained in Examples 1 to 9, the composition of the bonding layer formed between the heat sink or the base copper plate of the circuit board and the heat sink was measured by EPMA (Electron Beam Microanalyzer). As a result, in each of the bonding layers, the alloy layer containing Al—Ni—Cu was 3 μm.
About 5 μm in the alloy layer containing Al—Ni—Si;
The alloy layer of l-Ni contained about 8 µm.
【００４６】[0046]
【表４】 [Table 4]
【００４７】[0047]
【発明の効果】本発明によれば、パワーモジュール用電
子回路部品として好適な、放熱性と耐ヒートサイクル性
に優れたヒートシンク付き回路基板を提供することがで
き、パワーモジュールの生産性が向上する。According to the present invention, it is possible to provide a circuit board with a heat sink excellent in heat dissipation and heat cycle resistance, which is suitable as an electronic circuit component for a power module, thereby improving the power module productivity. .
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 信行 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 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Nobuyuki Yoshino 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Prefecture Inside the Omuta Plant of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
Claims (2)
対面に放熱板が形成されてなる回路基板の放熱板に、ベ
ース板を介して又は介さずにヒートシンクが取り付けら
れてなるものにおいて、上記ヒートシンクの材質が、シ
リカアルミナ質繊維強化のアルミニウム又はアルミニウ
ム合金であることを特徴とするヒートシンク付き回路基
板。1. A circuit board comprising a ceramic substrate having a circuit on one surface and a heat radiator formed on the other surface, wherein a heat sink is attached to a heat radiator of a circuit board with or without a base plate. A circuit board with a heat sink, wherein the material of the heat sink is aluminum or aluminum alloy reinforced with silica-alumina fiber.
ベース板とが、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なるものであることを特
徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。2. A heat sink and a heat radiating plate or a base plate of a circuit board are joined via a joining layer having an alloy layer containing an Al component and a Ni component. 2. The circuit board with a heat sink according to 1.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP15568698A JP3529085B2 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Circuit board with heat sink |
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| JPH11354698A true JPH11354698A (en) | 1999-12-24 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2003060129A (en) * | 2001-08-09 | 2003-02-28 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Circuit board and method for partially plating circuit board |
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- 1998-06-04 JP JP15568698A patent/JP3529085B2/en not_active Expired - Fee Related
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