JP2016046430A - 回路基板、および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 剥離が生じにくく冷却効果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】 第１絶縁基板１ａと、第２絶縁基板１ｂと、第１絶縁基板１ａと第２絶縁基板１ｂとで挟まれており、流路２を有する第１金属板３と、第１絶縁基板１ａの上面に設けられた第２金属板４ａと、第２絶縁基板１ｂの下面に設けられた第３金属板４ｂと、を有しており、流路２は、第１絶縁基板１ａの下面と、第２絶縁基板１ｂの上面と、第１金属板３の内壁とで囲まれている。【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、流路が設けられた第１金属板が２つの絶縁基板で挟まれており、これらの絶縁基板にそれぞれ回路層となる金属板が形成されたものが用いられる。

特開２００３−８６７４７号公報

しかしながら、上述した従来の回路基板では、第１金属板の流路は中空状に第１金属板内に設けられていたので、第１金属板の上下面と、絶縁基板との接合面積が広かった。よって、第１金属板と絶縁基板との熱膨張差に起因する応力により剥がれが発生しやすかった。

また、中空状の流路では、流路の断面積の大きさが十分ではないので、第１金属板の冷却効果が不十分であった。

本発明の目的は、前記の問題を鑑みて、第１金属板が絶縁基板から剥離することを抑制しつつ、冷却効果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、第１絶縁基板と、第２絶縁基板と、前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板とで挟まれており、流路を有する第１金属板と、前記第１絶縁基板の上面に設けられた第２金属板と、前記第２絶縁基板の下面に設けられた第３金属板と、を有しており、前記流路は、前記第１絶縁基板の下面と、前記第２絶縁基板の上面と、前記第１金属板の内壁とで囲まれ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、流路は、第１絶縁基板の下面と、第２絶縁基板の上面と、第１金属板の内壁とで囲まれているので、流路の分だけ第１金属板の上下面の表面積を減ずることができる。よって、第１金属板と、第１絶縁基板および第２絶縁基板との熱膨張差を抑制することができる。従って、剥がれの発生を抑制できる。

また、流路が中空である場合と比較して、流路の断面積を大きくできるので、冷却効果が向上する。

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、第１金属板の第１絶縁
基板および第２絶縁基板からの剥離を抑制することができるとともに、冷却効率を向上させることができる。

（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線での断面図である。 （ａ）は、図１の回路基板の下面図であり、（ｂ）は、図１の回路基板の側面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図である。 （ａ）〜（ｃ）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。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態の回路基板の製造工程の例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図であり、（ｃ）は下面図である。 図５（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図である。 本発明の実施形態の回路基板および電子装置の他の例を示す側面図である。

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、２に示す例においては、回路基板は、第１絶縁基板１ａと、第２絶縁基板１ｂと、第１金属板３と、第２金属板４ａと、第３金属板４ｂとを備えている。また、図１、２に示す例において、電子装置は、回路基板と、電子部品８とを備えている。

第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂ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。

第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂ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、第１〜第３金属板と第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂとの熱膨張率差に起因する熱応力により第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂ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。

第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂ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。

第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂ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、２に示す例においては、第１金属板３は、第１絶縁基板１ａと第２絶縁基板１ｂとで挟まれており、流路２を有する。また、第２金属板４ａは、第１絶縁基板１ａの上面に設けられており、第３金属板４ｂは、第２絶縁基板１ｂの下面に設けられている。

図１（ｂ）に示す例のように、流路２は、第１絶縁基板１ａの下面と、第２絶縁基板１ｂの上面と、第１金属板３の内壁とで囲まれているので、流路２の分だけ第１金属板３の上下面の表面積を減ずることができる。従って、第１金属板３と、第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂとの接合面積を減ずることができる。よって、第１金属板３と、第１絶縁基板１ａおよび第２絶縁基板１ｂとの間で熱応力が発生することを抑制することができる。従って、剥がれの発生を抑制できる。また、流路２が中空である場合と比較して、第１金属板３の厚み方向に流路２の断面積を大きくできるので、冷却効果が向上する。

図１、図２に示す例では、流路２が蛇行している。この場合には、広範囲にわたって冷却効果を発揮できるので好ましい。

また、図１（ａ）に示す例では、流路２が電子部品８と重なっている。この場合には、流路２が、第１絶縁基板１ａを挟んで、電子部品８の直下に位置することとなる。よって、電子部品８で発生した熱を効率的に放熱することができる。

また、同様に、回路層である第２金属板４ａ、第３金属板４ｂで発生した熱を放熱する観点から、流路２は第２金属板４ａ、第３金属板４ｂと重なっていることが好ましい。

図２（ｂ）に示す例のように、流路２の出入り口は、開口７である。図２（ｂ）に示す例において、開口７は上下の第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂまで達していない。開口７は、第１金属板１の側面に中空状に設けられている。これにより、第１金属板１の側面における開口７の周辺を接合領域として、口金等を接合しやすくなる。この口金により、流路２への流体の流入、又は流路２からの流体の流出を容易とすることができる。

第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂは平板形状であり、その厚みは、例えば、20〜600μｍである。第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂは、銅板であ
れば、電気抵抗が低く高熱伝導性を有するので、回路基板を構成する部材として好ましい。

第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂが銅板である場合、銅板は例えば無酸素銅であることが好ましい。銅板として無酸素銅を用いた場合には、銅板と第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂとを接合材５で接合する際に、銅板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５との濡れ性が良好となるので、第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂとの接合強度が向上する。

図１、２に示す例においては、第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂは、接合材５を介して第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂの主面に設けられている。

例えば、接合材５は、Ａｇ−Ｃｕ系のものが用いられる。この接合材５は、第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂに対して濡れることにより強固に接合させるために、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５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５の厚みは、例えば約５〜100μｍ程度であればよい。

また、第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂが銅板であり、接合材５が銅成分を有する場合には、接合材５および第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂ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５および第１金属板３、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂ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、２に示す例において、中央部の第２金属板４ａ、第３金属板４ｂの上面には接合材９を介して電子部品８が実装されており、この電子部品８は、他の第２金属板４ａ、第３金属板４ｂに、ボンディングワイヤ１０等の導電性接続材によって接続される。このように、図１、２に示す例において、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂは、回路導体として機能している。また、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂは、回路基板に搭載される電子部品８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、２に示している、第１絶縁基板１ａと第２絶縁基板１ｂとで挟まれた第１金属板３は、流路２を有しており、主に放熱板として用いられる。この流路２には、開口７から出入りする流体（例えば、水、空気など）が流れており、これによって放熱効果が発揮される。

電子部品８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８を第２金属板４ａ、第３金属板４ｂに接合する接合材９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９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９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、第２金属板４ａ、第３金属板４ｂ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９との濡れ性が良好となるので電子部品８を第２金属板４ａ、第３金属板４ｂ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。

次に、本発明の図１に示す例の実施形態に係る回路基板の製造方法について説明をする。

まず、例えば、第１金属板３、第２金属板４ａとなる金属板母材を、それぞれ第１絶縁基板１ａの上下面に配置し、第３金属板４ｂとなる金属板母材を、第２絶縁基板１ｂの下
面に配置する。なお、金属板母材の配置前に、第１絶縁基板１ａの両主面に、また、第２絶縁基板１ｂの下面に、接合材５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。

次に、加熱処理によって、第１金属板３、第２金属板４ａとなる金属板母材を第１絶縁基板１ａに接合させ、第３金属板４ｂとなる金属板母材を第２絶縁基板１ｂに接合させる。この工程では、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。

次に、エッチング処理によって、各金属板母材に、回路層や流路２を形成する。金属板として残したい領域にレジストを形成し、例えば、塩化第二鉄をエッチング液としてエッチング処理を行えばよい。

次に、第１金属板３、第２金属板４ａが形成された第１絶縁基板１ａを、上述した方法と同様に、接合材５によって、第３金属板４ｂが形成された第２絶縁基板１ｂに接合させる。なお、金属板母材の配置前に、第２絶縁基板１ｂの上面に、接合材５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。

以上のようにして、図１、図２に示す例の回路基板を形成することができる。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明の他の実施形態の例を説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ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（ａ）に示す例においては、第１金属板３は、第１金属層３ａと、第２金属層３ｂと、第１金属層３ａと第２金属層３ｂとで挟まれた第３金属層３ｃと、を有している。この構成によって、図１に示す例に比較して、流路２の形成時に設計の自由度が高まる。

また、第１金属層３ａ、第２金属層３ｂは、例えば銅層であり、第３金属層３ｃは、銀、銅を主成分とするろう材層である。この第３金属層３ｃは、第１金属層３ａ、第２金属層３ｂを互いに接合させる機能を有する。

図３（ｂ）に示す例においては、第１金属層３ａに形成された流路２と第２金属層３ｂに形成された流路２とは、上下で位置がずれている。これによって、全体の流路２の表面積を増大させることができ、冷却効果を向上させることができる。

図３（ｃ）に示す例においては、第１金属層３ａ、第２金属層３ｂにおいて、流路２の幅が絶縁基板から離れるに従って狭くなっている。これにより、第１金属板３において、厚み方向中央部は流路２の幅が狭くなり、第１絶縁基板１ａおよび第２絶縁基板１ｂ側では流路２の幅が広くなる。よって、流路２の絶縁基板側の表面積が増大するので、冷却効果が向上する。また、中央部は流路２の幅が狭いので、第１金属層３ａと第２金属層３ｂの接合面積を十分大きく確保できるので接合強度が向上する。

次に、図４を用いて、本発明の図３（ａ）に示す例の実施形態に係る回路基板の製造方法について説明する。

（１）まず、第１工程として、図４（ａ）に示すように、第２金属板４ａ、第１金属層３ａとなる金属板母材３ａ´、４ａ´の主面を第１絶縁基板１ａの主面上に配置する。なお、本工程においては、金属板母材の配置前に、第１絶縁基板１ａの両主面に接合材５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５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７
９０℃程度に調整したものが用いられる。

また、図示しないが、第３金属板４ｂ、第２金属層３ｂとなる金属板母材もまた、その主面を第２絶縁基板１ｂの主面上に配置しておく。

（２）次に、第２工程として、加熱処理によって、金属板母材３ａ´、４ａ´を第１絶縁基板１ａに接合させる。この工程では、第１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５が溶融し、冷却することで接合材５が固化し、金属板母材３ａ´、４ａ´が第１絶縁基板１ａに接合される。

また、第３金属板４ｂ、第２金属層３ｂとなる金属板母材もまた、第２絶縁基板１ｂに接合させる。

（３）次に、第３工程として、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、エッチング処理によって、金属板母材３ａ´、４ａ´における金属板非形成領域を除去し、金属板３ａ、４ａを残すようにする。

具体的には、図４（ａ）に示すように、金属板３ａ、４ａとして残したい銅板形成領域にレジスト１１を形成する。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１１を除去するようにする。以上の工程によって、図４（ｂ）に示すように、金属板３ａ、４ａが接合された第１絶縁基板１ａを得ることができる。

また、同様の工程によって、第３金属板４ｂ、第２金属層３ｂが接合された第２絶縁基板１ｂを得る。

（４）次に、第４工程として、図４（ｃ）に示すように、金属板３ａ、４ａが接合された第１絶縁基板１ａを、金属板３ｂ、４ｂが接合された第２絶縁基板１ｂに、第３金属層３ｃを介して配置する。

なお、本工程においては、配置前に、第２金属層３ｂ上に第３金属層３ｃとなるペースト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。第３金属層３ｃとなるペーストは、接合材５よりも融点を低く設定したものを用いる。

（５）次に、第５工程として、図４（ｃ）に示すように、金属板３ａ、４ａが接合された第１絶縁基板１ａを、金属板３ｂ、４ｂが接合された第２絶縁基板１ｂに、第３金属層３ｃを介して配置する。

以上のようにして、図４（ｄ）に示す例の回路基板を形成することができる。

次に、図５を用いて、本発明の他の実施形態の例を説明する。図５は、本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す図である。

図５に示す例において、流路２中に柱１２が形成されている。この構成により、図５に示す例のように流路２の幅を大きくした場合であっても、絶縁基板１ａ、１ｂ間を柱１２が支えているため、回路基板の強度を維持することができる。よって、安全に流路２の幅を大きくすることができるので、冷却効果がさらに向上する。

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。

例えば、図１，図２では、開口７は中空状であったが、図７に示す例のように、開口７は上下の第１絶縁基板１ａ、第２絶縁基板１ｂに達していてもよい。この場合には、開口７から流出又は流入する流体の量を増大させることができる。

１ａ・・・第１絶縁基板
１ｂ・・・第２絶縁基板
２・・・流路
３・・・第１金属板
３ａ・・・第１金属層
３ｂ・・・第２金属層
３ｃ・・・第３金属層
４ａ・・・第２金属板
４ｂ・・・第３金属板
５・・・接合材
７・・・開口
８・・・電子部品
９・・・接合材
１０・・・ボンディングワイヤ
１１・・・レジスト
１２・・・柱

Claims (4)

1. 第１絶縁基板と、
   第２絶縁基板と、
   前記第１絶縁基板と前記第２絶縁基板とで挟まれており、流路を有する第１金属板と、
   前記第１絶縁基板の上面に設けられた第２金属板と、
   前記第２絶縁基板の下面に設けられた第３金属板と、
   を有しており、
   前記流路は、前記第１絶縁基板の下面と、前記第２絶縁基板の上面と、前記第１金属板の内壁とで囲まれている
   ことを特徴とする回路基板。
2. 前記第１金属板は、
   第１金属層と、
   第２金属層と、
   前記第１金属層と前記第２金属層とで挟まれた第３金属層と、を有しており、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記流路中に柱が形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか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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