JP2016032032A - Circuit board and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回路基板、および電子装置に関するものである。 The present invention relates to a circuit board and an electronic device.
従来、パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる回路基板として、例えば、絶縁基板の主面に、接合材を介して銅板が接合されたものが用いられる。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a circuit board used in an electronic device on which an electronic component such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) such as a power module or a switching module is mounted, for example, a copper plate is formed on a main surface of an insulating substrate via a bonding material. What was joined is used.
しかしながら、通常、電子部品は、銅板の中央部の上面に配置されるが、電子部品で発生した熱が接合材を介して絶縁基板に十分放熱されていなかった。 However, usually, the electronic component is disposed on the upper surface of the central portion of the copper plate, but the heat generated in the electronic component is not sufficiently dissipated to the insulating substrate via the bonding material.
また、銀を含む接合材によって、銅板を絶縁基板に接合する際に、この銀が銅板内部に拡散する。よって、銅板において銀が拡散した部分は硬度が高くなる。また、回路基板の使用時に熱サイクルが負荷されると、銅板の周縁部に応力が集中しやすい。よって、銅板の周縁部では、硬度が高くなったことにより、集中しやすい応力を緩和できず、絶縁基板におけるクラックの発生や、銅板の絶縁基板からの剥離が起きやすかった。 Further, when the copper plate is bonded to the insulating substrate by the bonding material containing silver, the silver diffuses inside the copper plate. Therefore, the hardness of the portion of the copper plate where silver has diffused increases. Further, if a thermal cycle is applied when the circuit board is used, stress tends to concentrate on the peripheral edge of the copper plate. Therefore, at the peripheral portion of the copper plate, the stress that tends to concentrate cannot be relieved due to the increased hardness, and cracks in the insulating substrate and peeling of the copper plate from the insulating substrate are likely to occur.
本発明の目的は、前記の問題を鑑みて、絶縁基板のクラック発生、又は銅板の剥離を抑制しつつ、放熱効率を向上させることができる回路基板、および電子装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a circuit board and an electronic device that can improve heat dissipation efficiency while suppressing generation of cracks in an insulating substrate or peeling of a copper plate.
本発明の一つの態様の回路基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の主面に、銀を含む接合材を介して設けられた銅板と、を有しており、前記銅板の中央部における前記接合材の厚みが、前記銅板の周縁部における前記接合材の厚みよりも厚くなっていることを特徴とする。 A circuit board according to an aspect of the present invention includes an insulating substrate, and a copper plate provided on a main surface of the insulating substrate via a bonding material containing silver, and the circuit board in the central portion of the copper plate. The thickness of the bonding material is greater than the thickness of the bonding material at the peripheral edge of the copper plate.
本発明の一つの態様の電子装置は、上記の回路基板と、該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる。 An electronic device according to one aspect of the present invention includes the above circuit board and an electronic component mounted on the circuit board.
本発明の回路基板によれば、銅板の中央部における接合材の厚みが、銅板の周縁部における接合材の厚みよりも厚くなっている。通常、回路基板では、銅板の中央部の上面に電子部品を配置することが多いため、銅板の中央部における厚みが厚い接合材では、銅よりも熱伝導率の良い銀の量が多いので、電子部品で発生した熱を絶縁基板側に良好に放熱させることができる。また、銅板の周縁部における接合材の厚みが、銅板の中央部における接合材の厚みより薄いので、周縁部において接合材の量が少なくなっており、中央部に比べて、接合材からから銅板への銀の拡散が起きにくい。よって、銅板の周縁部が硬くなり過ぎないので、使用時に熱サイクルが負荷された時に、応力が集中しやすい周縁部で応力を緩和することができる。 According to the circuit board of the present invention, the thickness of the bonding material at the central portion of the copper plate is thicker than the thickness of the bonding material at the peripheral portion of the copper plate. Usually, in a circuit board, electronic components are often arranged on the upper surface of the central portion of the copper plate, and therefore, in the bonding material having a large thickness in the central portion of the copper plate, the amount of silver having a higher thermal conductivity than copper is large. The heat generated in the electronic component can be radiated well to the insulating substrate side. Moreover, since the thickness of the bonding material at the peripheral portion of the copper plate is thinner than the thickness of the bonding material at the central portion of the copper plate, the amount of the bonding material is reduced at the peripheral portion, and from the bonding material to the copper plate from the central portion. Difficult to cause silver diffusion to Therefore, since the peripheral part of a copper plate does not become hard too much, when a thermal cycle is loaded at the time of use, stress can be relieved by the peripheral part where stress tends to concentrate.
本発明の電子装置によれば、上述の回路基板を有することから、絶縁基板のクラック発生、又は銅板の剥離を抑制することができるとともに、放熱効率を向上させることができる電子装置とすることができる。 According to the electronic device of the present invention, since the above-described circuit board is included, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the insulating substrate or the peeling of the copper plate and to improve the heat dissipation efficiency. it can.
以下、図面を参照して本発明の実施形態における回路基板および電子装置について説明する。なお、図面において、回路基板および電子装置は、仮想のxyz空間内に設けられており、xy平面上に載置されている。また、本実施形態における上方、上面、上部とは仮想のz軸の正方向を示しており、下方、下面、下部とは仮想のz軸の負方向を示している。 Hereinafter, a circuit board and an electronic device according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the circuit board and the electronic device are provided in a virtual xyz space and are placed on the xy plane. In the present embodiment, the upper, upper, and upper portions indicate the positive direction of the virtual z axis, and the lower, lower surface, and lower portion indicate the negative direction of the virtual z axis.
図1に示す例においては、回路基板10は、絶縁基板1と、接合材2と、銅板3とを備えている。また、図1に示す例において、電子装置20は、回路基板10と、電子部品5とを備えている。
In the example shown in FIG. 1, the circuit board 10 includes an
絶縁基板1は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス,ムライト質セラミックス,炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。
The
絶縁基板1が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、銅板3と絶縁基板1との熱膨張率差に起因する熱応力により絶縁基板1にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる回路基板を実現することができる。
When the
絶縁基板1の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1mm〜1mmであ
り、回路基板の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。
The thinner
絶縁基板1は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素,酸化アルミニウム,酸化マグネシウム,および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー,可塑剤,および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工等を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。
If the
図1に示す例においては、銅板3が、銀を含む接合材2を介して絶縁基板1の主面に設けられている。
In the example shown in FIG. 1, a
銅板3は平板形状であり、その厚みは、例えば、20〜600μmである。銅板3は、電気
抵抗が低く高熱伝導性を有するので、回路基板10を構成する部材として好ましい。
The
銅板3は、例えば無酸素銅である。銅板3として無酸素銅を用いた場合には、銅板3と絶縁基板1とを接合する際に、銅板3表面が銅中に存在する酸素によって酸化されることが低減されるとともに、接合材2との濡れ性が良好となるので、絶縁基板1との接合強度が向上する。
The
また、接合材2が銅成分を有する場合には、接合材2および銅板3の両部材の接合部において互いの部材中の銅成分が拡散し合うことによって拡散層が形成されるので、接合材2および銅板3が互いに強固に接合されることとなり好ましい。
Further, when the
また、図1(a)に示す例において、中央部の銅板3の上面には接合材4を介して電子部品5が実装されており、この電子部品5は、他の銅板3に、ボンディングワイヤ6等の導電性接続材によって接続される。このように、図1に示す例において、銅板3は、回路導体として機能している。また、銅板3は、回路基板に搭載される電子部品5のマウント用の金属部材、接地導体用の金属部材としても用いることができる。また、図1(c)に示している、絶縁基板1の下面の銅板3は、主に放熱板として用いられる。このように、銅板3は、例えば数十A程度の比較的大きな電流を通電するための導電路として、セラミックス等からなる絶縁基板1に接合されて用いられる。
Further, in the example shown in FIG. 1A, an
電子部品5は、例えば、トランジスタ、CPU(Central Processing Unit)用のLS
I(Large Scale Integrated circuit)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)等の半導体素子である。
The
It is a semiconductor element such as I (Large Scale Integrated circuit), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor).
電子部品5を銅板3に接合する接合材4は、例えば、金属または導電性樹脂等からなる。金属から成る接合材は、例えば、半田、金−スズ(Au−Sn)合金、またはスズ−銀−銅(Sn−Ag−Cu)合金等である。導電性樹脂から成る接合材は、例えば、Agエポキシ樹脂等の熱伝導率の高い接着剤等である。
The
なお、銅板3表面に、めっき法によってめっき膜を形成しても良い。この構成によれば、接合材4との濡れ性が良好となるので電子部品5を銅板3の表面に強固に接合することができる。めっき膜は、導電性および耐食性が高い金属を用いれば良く、例えば、ニッケル、コバルト、銅、若しくは金、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料が挙げられる。めっき膜の厚みは、例えば1.5〜10μmであれば良い。
A plating film may be formed on the surface of the
また、めっき膜は内部にリンを含有することが好ましい。例えば、ニッケル−リンのアモルファス合金のめっき膜であれば、ニッケルめっき膜の表面酸化を抑制して接合材等の濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。また、ニッケルに対するリンの含有量が8〜15質量%程度であると、ニッケル−リンのアモルファス合金が形成されやすくなって、めっき膜に対する接合材等の接着強度を更に向上させることができる。 The plating film preferably contains phosphorus inside. For example, a nickel-phosphorus amorphous alloy plating film is preferable because surface oxidation of the nickel plating film can be suppressed and wettability of a bonding material or the like can be maintained for a long time. Further, when the content of phosphorus with respect to nickel is about 8 to 15% by mass, a nickel-phosphorus amorphous alloy is easily formed, and the adhesive strength of a bonding material or the like to the plating film can be further improved.
図1に示す例においては、銅板3は、銀を含む接合材2を介して絶縁基板1の主面に設けられている。
In the example shown in FIG. 1, the
銅板3は、絶縁基板1の上面に、例えば、Ag−Cu系の接合材2を介して接合されている。この接合材2は、絶縁基板1に対して濡れることにより強固に接合されるために、例えば、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも1種の活性金属材料を含有している。また、この接合材2は、例えば、In、Snのうち少なくとも1つを有し
ていてもよい。なお、この接合材2の厚みは、例えば約5〜100μm程度であればよい。
The
図1に示す例のように、銅板3の中央部における接合材2の厚みが、銅板3の周縁部における接合材2の厚みよりも厚くなっている。通常、回路基板10では、銅板3の中央部の上面に電子部品5を配置することが多いため、銅板3の中央部における厚みが厚い接合材2では、銅よりも熱伝導率の良い銀の量が多いので、電子部品5で発生した熱を絶縁基板1側に良好に放熱させることができる。また、銅板3の周縁部における接合材2の厚みが、銅板3の中央部における接合材2の厚みより薄いので、周縁部において接合材2の量が少なくなっており、中央部に比べて、接合材2からから銅板3への銀の拡散が起きにくい。よって、銅板3の周縁部が硬くなり過ぎないので、使用時に熱サイクルが負荷された時に、応力が集中しやすい周縁部で応力を緩和することができる。
As in the example shown in FIG. 1, the thickness of the
次に、図2を用いて、本発明の図1に示す例の実施形態に係る回路基板10の製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method of the circuit board 10 according to the embodiment of the example shown in FIG. 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
(1)まず、第1工程として、図2(a)に示すように、銅板3となる銅板母材3´の主面を絶縁基板1の主面上に配置する。なお、本工程においては、銅板母材の配置前に、絶縁基板1の両主面に接合材2を予め所定の位置に例えばスクリーン印刷等の方法で所定の形状に塗布する。この接合材2は、例えば、銀、銅を主成分とし、さらにTiを含み、In、又はSnによって融点を790℃程度に調整したものが用いられる。なお、接合材2の印刷塗布にあたっては、図2(a)に示すように、銅板3の形成領域のみに接合材2を印刷するようにする。
(1) First, as a first step, as shown in FIG. 2A, the main surface of a copper
(2)次に、第2工程として、銅板3の中央部における接合材2の厚みが、銅板3の周縁部における接合材2の厚みよりも厚くなるよう、接合材2の厚みを調整する。
(2) Next, as a second step, the thickness of the
具体的には、図2(b)に示すように、後述する工程においてエッチングにより除去される銅板非形成領域に沿って壁部が形成された枠体治具11を、銅板母材3´の上面または下面から絶縁基板1側に押し付ける。これにより、図2(c)に示すように、壁部で押さえられた銅板非形成領域の近傍では、銅板母材3´が変形し、接合材2の厚みが小さくなる。一方、壁部で押さえられなかった銅板形成領域の中央部では、銅板母材3´が変形しないので、接合材2の厚みが比較的大きくなる。
Specifically, as shown in FIG. 2 (b), a
本工程により、銅板形成領域の中央部における接合材2の厚みが、銅板形成領域の周縁部における接合材2の厚みよりも厚くなる。
By this step, the thickness of the
なお、接合材2中に高融点の金属粒子を含有させておくことにより、枠体治具11で銅板母材3´を押さえ付けた場合に、壁部で抑えられていない銅板形成領域の中央部において、接合材の流動が起こりにくく、接合材2の厚みを周縁部より厚くしやすい。
In addition, when the high melting point metal particles are contained in the
(3)次に、第3工程として、加熱処理によって、銅板母材3´を絶縁基板1に接合させる。この工程では、第2工程で得られた積層体を、真空炉内に載置し、真空状態において830℃程度で熱処理を行う。これにより、接合材2が溶融し、冷却することで接合材2が固化し、銅板母材3´が絶縁基板1に接合される。
(3) Next, as a third step, the copper
(4)次に、第4工程として、エッチング処理によって、銅板母材3´における銅板非形成領域を除去し、銅板3を残すようにする。
(4) Next, as a fourth step, the copper plate non-formation region in the copper
具体的には、図2(d)に示すように、銅板3として残したい銅板形成領域にレジスト13を形成し、図1(a)に示す例のような複数の銅板3が残るようエッチングを行う。
なお、エッチング液としては、例えば、塩化第二鉄を使用すればよい。なお、エッチングを行った後、レジスト13を除去するようにする。以上の工程によって、図2(e)に示すように、回路基板10を得ることができる。
Specifically, as shown in FIG. 2 (d), a resist 13 is formed in the copper plate formation region to be left as the
For example, ferric chloride may be used as the etching solution. Note that the resist 13 is removed after the etching. Through the above steps, the circuit board 10 can be obtained as shown in FIG.
次に、図3を用いて、本発明の他の実施形態の例を説明する。図3は、本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す断面図である。 Next, an example of another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the circuit board according to the embodiment of the present invention.
図3に示す例において、絶縁基板1の下面においては、銅板3の中央部における接合材2の厚みが、銅板3の周縁部における接合材2の厚みよりも厚くなっており、かつ、銅板3は下側に凸となるよう湾曲している。この構成により、この回路基板10を、外部の放熱基体等に接合する際に、絶縁基板1の下面における銅板3の中央部が放熱基体等に確実に接して接合される。よって、電子部品5で発生した熱を、回路基板10から外部の放熱基体へと効率的に放熱することができる。
In the example shown in FIG. 3, the thickness of the
図3に示す例の回路基板を製造するには、予め、銅板形成領域が凸状に湾曲している銅板母材3´を準備し、その後、銅板母材3´を絶縁基板1に接合させるようにする。なお、銅板母材3´における銅板形成領域を湾曲させるためには、銅板母材3´に予めプレス成型を施せばよい。
In order to manufacture the circuit board of the example shown in FIG. 3, a copper
なお、本発明の銅板等は上記実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。 In addition, the copper plate of this invention is not limited to the example of the said embodiment, A various change is possible if it is in the range of the summary of this invention.
1・・・絶縁基板
2・・・接合材
3・・・銅板
3´・・銅板母材
4・・・接合材
5・・・電子部品
6・・・ボンディングワイヤ
10・・・回路基板
11・・・枠体治具
20・・・電子装置
DESCRIPTION OF
10 ... Circuit board
11 ... Frame jig
20 ... Electronic device
Claims (2)
該絶縁基板の主面に、銀を含む接合材を介して設けられた銅板と、を有しており、
前記銅板の中央部における前記接合材の厚みが、前記銅板の周縁部における前記接合材の厚みよりも厚くなっている
ことを特徴とする回路基板。 An insulating substrate;
A copper plate provided on a main surface of the insulating substrate via a bonding material containing silver;
The circuit board, wherein a thickness of the bonding material in a central portion of the copper plate is thicker than a thickness of the bonding material in a peripheral portion of the copper plate.
該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる
電子装置。 A circuit board according to claim 1;
And an electronic component mounted on the circuit board.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2014153949A JP2016032032A (en) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Circuit board and electronic device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023286856A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |
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2014
- 2014-07-29 JP JP2014153949A patent/JP2016032032A/en active Pending
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| JP2023013629A (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-26 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/Ceramic Bonded Body and Insulated Circuit Board |
| JP7739805B2 (en) | 2021-07-16 | 2025-09-17 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |
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