JP2016032032A - 回路基板、および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁基板のクラック発生等を抑えつつ、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。
【解決手段】 絶縁基板と、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、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。それによって、銅板３の中央部において、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、接合材２は、銅板３の周縁部の厚みが、銅板３の中央部よりも薄くなっているので、銀の拡散が起きにくく、応力を緩和することができる。
【選択図】図１

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。

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。

特開２００２−３４３９１１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（ａ）は本発明の実施形態の回路基板および電子装置の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図であり、（ｃ）は下面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態の回路基板を製造するための各工程を説明する断面図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (2)

1. 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
   ことを特徴とする回路基板。
2. 請求項１に記載の回路基板と、
   該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる
   電子装置。

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