JP5854758B2

JP5854758B2 - 電子素子搭載用基板

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Publication number: JP5854758B2
Application number: JP2011232998A
Authority: JP
Inventors: 南　和彦; 和彦南
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: JP2013093369A

Description

本発明は、絶縁基板に電子素子を搭載するためのアルミニウム回路層がろう付けされた電子素子搭載用基板、およびその関連技術に関する。

電子素子搭載用基板として、絶縁基板に電子素子を搭載するためのアルミニウム回路層が接合したものが知られている。かかる基板において、絶縁基板は電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れているセラミックが用いられ、前記絶縁基板とアルミニウム回路層の接合はこれらの間にＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系合金のろう材箔を挟んで加熱することによって行われる。そして、作製した基板のアルミニウム回路層に電子素子がはんだ付される。前記基板においては、電子素子の発熱による冷熱サイクルで絶縁基板とアルミニウム回路層との線膨張係数差によって発生する応力を緩和し、アルミニウム回路層の剥離や割れを防ぐために、アルミニウム回路層の材料には高純度のアルミニウムが用いられている（特許文献１参照）。

実公平８−１０２０２号公報（特許請求の範囲）

上述した材料と方法で作製した基板は、冷熱サイクルにおいてアルミニウム回路層が変形して電子素子搭載面にしわによる凹凸が形成されることがあった。アルミニウム回路層と電子素子とのはんだ付部の接合信頼性を高め、回路基板の冷熱耐久性を向上させる手段の一つとしてしわの発生を抑制することが考えられる。

本発明は上述した背景技術に鑑み、絶縁基板にアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載用基板であって、冷熱サイクルにおいてアルミニウム回路層の電子素子搭載面の凹凸が抑制される電子素子搭載用基板の提供を目的とする。

即ち、本発明は、下記［１］〜［８］に記載の構成を有する。

［１］絶縁基板の少なくとも一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
前記アルミニウム回路層は、母材の電子素子搭載面側に高強度層が一体に積層された積層材で構成され、前記高強度層の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）と母材の引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）とがＸ／Ｙ≧１．１の関係を満足することを特徴とする電子素子搭載用基板。

［２］前記積層材は母材と高強度層とがクラッド圧延によって一体化されてなる前項１に記載の電子素子搭載用基板。

［３］前記積層材は、心材にろう材層が積層されたブレージングシートによって高強度層が構成され、前記ブレージングシートを母材にろう付することによって母材と高強度層とが一体化されてなる前項１に記載の電子素子搭載用基板。

［４］前記高強度層は０．０３〜０．５質量％のＣｕを含有するアルミニウム合金からなる前項２に記載の電子素子搭載用基板。

［５］前記高強度層を構成するブレージングシートの心材は０．０３〜０．５質量％のＣｕを含有するアルミニウム合金からなる前項３に記載の電子素子搭載用基板。

［６］前記積層材は、高強度層の厚さ（ｔ）が２０μｍ以上であり、母材の厚さ（ｔ_Ｙ）が２００μｍ以上である前項１〜５のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。

［７］前記積層材は、高強度層の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）、母材の引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）、高強度層の厚さｔ（μｍ）が、Ｘ×ｔ／Ｙ≧４５の関係を満足する前項１〜６のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。

［８］前項１〜７のいずれかに記載の電子素子搭載用基板の絶縁基板の一方の面にアルミニウム回路層がろう付され、他方の面に緩衝層を介してヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。

上記［１］に記載の電子素子搭載用基板は、絶縁基板にろう付されるアルミニウム回路層が母材の電子素子搭載面側に高強度層が一体に積層された積層材で構成され、前記高強度層の引張強さは母材の１．１倍以上となされている。前記アルミニウム回路層は高強度層によって電子素子搭載面が強化されているため、冷熱サイクルで絶縁基板と母材との線膨張係数差に起因するしわの発生が抑制される。ひいては、アルミニウム回路層に搭載された電子素子のはんだ付信頼性が高まり、電子素子を搭載した回路基板の冷熱耐久性が向上する。

上記［２］に記載の電子素子搭載用基板によれば、アルミニウム回路層として母材と高強度層とのクラッド圧延材を用いることによって上記効果が得られる。

上記［３］に記載の電子素子搭載用基板によれば、アルミニウム回路層として、心材にろう材層が積層されたブレージングシートによって高強度層が構成され、前記ブレージングシートが母材にろう付されたろう付積層材を用いることによって上記効果が得られる。

上記［４］［５］に記載の各電子素子搭載用基板によれば、めっき皮膜の密着性を低下させることなく高強度層の引張強さを高めることができる。

上記［６］に記載の電子素子搭載用基板によれば、しわの発生を十分に抑制することができる。

上記［７］に記載の電子素子搭載用基板によれば、特にしわの発生抑制効果が大きい。

上記［８］に記載の放熱装置によれば、電子素子搭載用基板のアルミニウム回路層が高強度層によって電子素子搭載面が強化されているため、冷熱サイクルで絶縁基板と母材との線膨張係数差に起因するしわの発生が抑制される。ひいては、アルミニウム回路層に搭載された電子素子のはんだ付信頼性が高まり、電子素子を搭載した回路基板を組み込んだ放熱装置の冷熱耐久性が向上する。

本発明にかかる電子素子搭載用基板、およびこの電子素子搭載用基板を用いた放熱装置の仮組物を示す縦断面図である。高強度層の他の例を示す要部断面図である。

図１は本発明の電子素子搭載用基板の一実施形態と、この電子素子搭載用基板を用いて作製する放熱装置の仮組物を、構成部材が積層する方向で切断した断面で示している。

電子素子搭載用基板（1）は、絶縁基板（11）と、この絶縁基板（11）の一方の面に重ねられた電子素子搭載用のアルミニウム回路層（12）とにより構成されている。図１の仮組物においては、前記絶縁基板（11）とアルミニウム回路層（12）との間にこれらを接合するためのろう材箔（14）が配置されている。また、放熱装置（2）の仮組物は、前記電子素子搭載用基板（1）の絶縁基板（11）の他方の面に緩衝層（13）を介して複数の中空部を有するチューブ型のヒートシンク（16）を重ねたものであり、絶縁基板（11）と緩衝層（13）との間、および緩衝層（13）との間ヒートシンク（16）との間には接合用のろう材箔（15）（17）が配置されている。

前記放熱装置（2）は前記仮組物を一括してろう付加熱され、その後アルミニウム回路層（12）上に電子素子(18)がはんだ付される。ろう付後の放熱装置（2）において、アルミニウム回路層（12）がろう付された絶縁基板（11）とヒートシンク（16）とは緩衝層（13）を介して熱的に結合され、電子素子（18）が発する熱はヒートシンク（16）に排熱される。

前記電子素子搭載用基板（1）において、アルミニウム回路層（12）は母材（20）の電子素子搭載面側に母材（20）よりも引張強さの高い高強度層（21）が一体に積層された積層材で構成されている。前記アルミニウム回路層（12）は電子素子搭載面が高強度層（21）によって強化されているため、冷熱サイクルにおいて絶縁基板（11）と母材（20）との線膨張係数差に起因して電子素子搭載面に発生するしわが抑制される。本発明においては、高強度層（21）の引張強さをＸ（Ｎ／ｍｍ^２）、母材（20）の引張強さをＹ（Ｎ／ｍｍ^２）とするとき、Ｘ／Ｙ≧１．１の関係を満足することが条件である。Ｘ／Ｙ＜１．１では前記効果が少ない。一方、母材（20）に対して高強度層（21）の引張強さが高くなりすぎると絶縁基板（11）とアルミニウム回路層（12）との接合界面に発生する応力を緩和する効果が低くなる。このため、両者の強度比率が５≧Ｘ／Ｙであることが好ましい。特に好ましい強度の比率は５≧Ｘ／Ｙ≧１．３である。

また、前記積層材において、高強度層（21）の厚さ（ｔ）は２０μｍ以上とすることが好ましい。高強度層（21）の厚さ（ｔ）を２０μｍ以上とするのは２０μｍ未満ではしわの発生を抑制する効果が少ないからである。一方、母材（20）に対して高強度層（21）が厚すぎると絶縁基板（11）とアルミニウム回路層（12）との間に生じる応力を緩和する効果が低減するため、５００μｍ以下が好ましい。高強度層（21）の特に好ましい厚さ（ｔ）は３０〜５００μｍである。また、前記母材（20）の厚さ（ｔ_Ｙ）は２００μｍ以上が好ましい。前記母材（20）の厚さ（ｔ_Ｙ）を２００μｍ以上とするのは２００μｍ未満では応力緩衝の効果が少なくなるからである。一方、前記母材（20）の厚さ（ｔ_Ｙ）が３ｍｍを超えると不経済であるから３ｍｍ以下が好ましい。母材（20）の特に好ましい厚さは（ｔ_Ｙ）は３００μｍ〜１．５ｍｍである。また、前記高強度層（21）の厚さ（ｔ）はアルミニウム回路層（12）の厚さ（ｔ＋ｔ_Ｙ）の５０％以下が好ましく、特に２０％以下が好ましい。

さらに、前記積層材において、高強度層（21）の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）、母材（20）の引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）および高強度層（21）の厚さは、Ｘ×ｔ／Ｙ≧４５の関係を満足することが好ましい。高強度層(21)および母材（20）が上記関係を満足するとき、特にしわの発生抑制効果が大きい。好ましいこれらの関係はＸ×ｔ／Ｙ≧５０である。

前記母材（20）および高強度層（21）を構成する材料は、それぞれの引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）、Ｘ（Ｎ／ｍｍ^２）がＸ／Ｙ≧１．１の関係を満足する限り限定されないが、以下の材料を推奨できる。

前記母材（20）の材料は、導電性が高くかつ絶縁基板（11）との接合界面に発生する応力を緩和できるアルミニウムを用いることが好ましく、特に純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムを推奨できる。一方、高強度層（21）は母材（20）よりも引張強さの高いアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、母材材料が純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムであるときＸ／Ｙ≧１．１の関係を満足する材料として、ＪＩＳＡ３００３、Ａ１１００、Ａ１０５０、Ａｌ純度が９９．５〜９７質量％で母材よりも純度の低いアルミニウムを例示できる。また、高強度層（21）の材料として、引張強さを向上させる効果のあるＣｕを０．０３〜０．５質量％の範囲で含有するアルミニウム合金を用いることも好ましい。Ｃｕ濃度が０．０３質量％では引張強さを向上させる効果が少ない。また、前記アルミニウム回路層（12）には電子素子のはんだ付性を良好にするためにＮｉ−Ｐめっきが施されることがあるが、Ｃｕ濃度を０．５質量％以下にすることでＮｉ−Ｐめっき皮膜の密着性を低下させることなく引張強さの向上効果を得ることができる。特に好ましいＣｕ濃度は０．１〜０．４質量％である。Ｃｕ含有合金としては、上述したアルミニウムまたはアルミニウム合金にＣｕを添加した合金を例示できる。

前記積層材の種類や製造方法は限定されない。積層材の種類として、母材と高強度層とを圧延によって一体化したクラッド圧延材や、母材と高強度層とをろう付したろう付積層材を例示できる。

図１に示したアルミニウム回路層（12）はクラッド圧延材である。クラッド圧延材は、周知のクラッド圧延材の製造方法に従い、母材材料と高強度層材料とを重ねて複数パスの圧延を行うことにより作製する。

ろう付積層材を用いる場合は、図２に示すように、心材（31）にろう材層（32）をクラッドしたブレージングシート（30）を作成し、このブレージングシート（30）を母材（20）にろう付する方法を推奨できる。前記ブレージングシート（30）の心材（31）は上述した高強度層の材料であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を用い、ろう材層（32）はＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のろう材を用いる。ろう付積層材を使用した場合は心材（31）とろう材層（32）を合わせたものが高強度層（21）となる。従って、図２のブレージングシート（30）を用いた場合は、ブレージングシート（30）の引張強さおよび厚さが高強度層（21）の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）および厚さ（ｔ）となる。また、前記ブレージングシート（30）と母材（20）のろう付は、図１に示した電子素子搭載基板（1）、あるいは放熱装置（2）を仮組みする際にブレージングシート（30）と母材（20）を仮組みし、他の部材とともに一括してろう付することができる。

前記電子素子搭載用基板（1）および放熱装置（2）を構成する他の部材の好ましい材料は以下のとおりである。

絶縁基板（11）を構成する材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。

緩衝層（13）は、剛性の高いセラミック製の絶縁基板（11）とヒートシンク（16）との接合界面に発生する熱応力を緩和するための層であるから、軟質の金属を用いることが好ましく、特に高純度アルミニウムが好ましい。また、図１に示した緩衝層（13）は応力吸収空間として複数の円形貫通穴を有するパンチングメタルであるが、応力吸収空間の有無や形状は任意に設定することができる。

ヒートシンク（16）を構成する金属は、軽量性、強度維持、成形性、耐食性に優れた材料を用いることが好ましく、これらの特性を有するものとしてＡｌ−Ｍｎ系合金等のアルミニウム合金を推奨できる。ヒートシンク（16）は緩衝層（13）側の外面がフラットであれば緩衝層（13）と広い面積でろう付して高い放熱性能が得られるので、緩衝層（13）側の面以外の外部形状や内部形状は問わない。ヒートシンクの他の形状として、平板、平板の他方の面にフィンをろう付したヒートシンク、平板の他方の面にフィンを立設したヒートシンク、中空部内にフィンを設けたチューブ型ヒートシンク等を例示できる。

前記ろう材箔（14）（15）（17）の材料は限定されないが、上述したアルミニウム回路層（12）、絶縁基板（11）、緩衝層（13）、ヒートシンク（16）の材料の接合に好適なろう材としてＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を推奨できる。また、前記アルミニウム回路層（12）および緩衝層（13）にろう材をクラッドする場合も同様である。

図１の電子素子搭載用基板（1）は絶縁基板（11）の一方の面にのみアルミニウム回路層（12）を積層したものであるが、他方の面にもアルミニウム回路層をろう付し、絶縁基板（11）の両面に電子素子を搭載するように構成した電子素子搭載用基板も本発明に含まれる。両面にアルミニウム回路層をろう付する場合、少なくとも一方が本発明で規定する母材と高強度層の積層材で構成されていれば本発明に含まれる。また、前記絶縁基板（11）の一方の面にのみアルミニウム回路層（12）を積層した電子素子搭載用基板（1）において、他方の面に緩衝層（13）やヒートシンク（16）が積層されていることにも限定されない。

図１に参照される積層構造の電子素子搭載用基板（1）を含む放熱装置（2）を、アルミニウム回路層の材料を変えて作製した。前記放熱装置（2）において積層した部材は、積層順に、アルミニウム回路層（12）、ろう材箔（14）、絶縁基板（11）、ろう材箔（15）、緩衝層（13）、ろう材箔（17）、ヒートシンク（16）である。

前記アルミニウム回路層（12）を除く部材は各例で共通のものを用いた。

前記絶縁基板（11）は窒化アルミニウムからなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。前記ヒートシンク（16）はＡｌ−１質量％Ｍｎ合金からなる扁平多穴チューブである。前記緩衝層（13）はＡｌ純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなる厚さ１．６ｍｍの圧延板を２８ｍｍ×２８ｍｍに切断し、さらに切削加工を施して直径２ｍｍの円形の１２個の貫通穴を形成したものを用いた。前記ろう材箔（14）（15）（17）は厚さ３０μｍのＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金箔である。

［実施例１〜６のアルミニウム回路層］
アルミニウム回路層（12）として母材（20）と高強度層（21）とからなるクラッド圧延材を用いた。前記母材（20）の材料として各例共通でＡｌ純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムを用い、高強度層（21）の材料として表１に示すアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いた。

前記クラッド圧延材は、最終的に母材（20）の厚さ（ｔ_Ｙ）が５００μｍ、高強度層（21）の厚さ（ｔ）が表１に記載した各厚さとなるように、厚さを調節した母材材料と高強度層材料を重ね、複数パスの圧延を施して作製した。

［実施例７、８のアルミニウム回路層］
アルミニウム回路層（12）の高強度層（21）として図２に参照されるブレージングシート（30）を用いた。前記ブレージングシート（30）は表２に示す心材（31）にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金からなるろう材層（32）をクラッドしたものであり、前記ブレージングシート（30）の厚さ（ｔ）およびろう材層（32）のクラッド率は表２に示すとおりである。また、母材（20）として、Ａｌ純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなり厚さ（ｔ_Ｙ）が５００μｍの圧延板を準備した。前記母材（20）とブレージングシート（30）とのろう付は、後述する放熱装置（2）の仮組を行う際に母材（20）とブレージングシート（30）とを仮組みし、他の部材のろう付と同時に行った。

［比較例］
Ａｌ純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなる厚さ５００μｍの圧延板をアルミニウム回路層とした。

各例で準備したアルミニウム回路層は２８ｍｍ×２８ｍｍに切断し、これを放熱装置（2）の仮組みに用いた。

実施例１〜８のアルミニウム回路層（12）における母材（20）の引張強さ（Ｙ）は４０Ｎ／ｍｍ^２であり、高強度層（21）の引張強さ（Ｘ）は各表に示すとおりである。また、前記母材（20）の引張強さ（Ｙ）および厚さ（ｔ_Ｙ）、高強度層（21）の引張強さ（Ｘ）および厚さ（ｔ）から計算したＸ／Ｙ、Ｘ×ｔ／Ｙ、アルミニウム回路層(12)における高強度層（21）の厚さ（ｔ）の比率〔ｔ／（ｔ_Ｙ＋ｔ）〕×１００（％）を表１および表２に示す。

また、比較例のアルミニウム回路層は各実施例の母材と同一素材であるあるから、その引張強さは４０Ｎ／ｍｍ^２である。

［ろう付］
実施例１〜８および比較例の仮組物を７×１０^−４Ｐａの真空中で６００℃×２０分で真空ろう付した。

［評価］
ろう付した放熱装置（2）について、１２５℃と−４０℃の冷熱サイクル試験を２０００サイクル行い、アルミニウム回路層の電子素子搭載面における最大高さ（Ｒｙ）を測定し、下記の基準で凹凸の状態を評価した。評価結果を表１および表２に示す。
○：最大高さ（Ｒｙ）が４０μｍ以下
△：最大高さ（Ｒｙ）が４０μｍを超え８０μｍ以下
×：最大高さ（Ｒｙ）が８０μｍを超える

また、ろう付した各放熱装置（2）のアルミニウム回路層（2）の電子素子搭載面にＮｉ−Ｐめっきを施して厚さ７μｍのめっき皮膜を形成し、ＪＩＳＤ０２０２−１９８８碁盤目付着性試験方法によりテープ剥離試験を行った。
そして、めっき皮膜に剥離が認められなかったものを○、剥離したものを×と評価した。評価結果を表１および表２に示す。

表１および表２に示したように、アルミニウム回路層の電子素子搭載側の面に高強度層を設けたことで表面が強化されたために、冷熱サイクルにおいてしわの発生が抑制された。また、高強度層に所定濃度範囲のＣｕを添加することで引張強さが向上し、かつめっき皮膜の密着性を低下させないことを確認した。

本発明の電子素子搭載基板は、絶縁基板の一方の面にアルミニウム回路層がろう付され、他方の面に緩衝層を介してヒートシンクがろう付された放熱装置の製造に好適に利用できる。

1…電子素子搭載用基板
2…放熱装置
11…絶縁基板
12…アルミニウム回路層
13…緩衝層
14、15、17…ろう材箔
18…電子素子
16…ヒートシンク
20…母材
21…高強度層
30…ブレージングシート（高強度層）

Claims

絶縁基板の少なくとも一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付された電子素子搭載用基板であって、
前記アルミニウム回路層は、母材の電子素子搭載面側に高強度層が一体に積層された積層材で構成され、前記高強度層の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）と母材の引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）とがＸ／Ｙ≧１．１の関係を満足することを特徴とする電子素子搭載用基板。
前記積層材は母材と高強度層のクラッド圧延材である請求項１に記載の電子素子搭載用基板。
前記積層材は、心材にろう材層が積層されたブレージングシートによって構成される高強度層と母材のろう付積層材である請求項１に記載の電子素子搭載用基板。
前記高強度層は０．０３〜０．５質量％のＣｕを含有するアルミニウム合金からなる請求項２に記載の電子素子搭載用基板。
前記高強度層を構成するブレージングシートの心材は０．０３〜０．５質量％のＣｕを含有するアルミニウム合金からなる請求項３に記載の電子素子搭載用基板。
前記積層材は、高強度層の厚さ（ｔ）が２０μｍ以上であり、母材の厚さ（ｔ_Ｙ）が２００μｍ以上である請求項１〜５のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。
前記積層材は、高強度層の引張強さＸ（Ｎ／ｍｍ^２）、母材の引張強さＹ（Ｎ／ｍｍ^２）、高強度層の厚さｔ（μｍ）が、Ｘ×ｔ／Ｙ≧４５の関係を満足する請求項１〜６のいずれかに記載の電子素子搭載用基板。
請求項１〜７のいずれかに記載の電子素子搭載用基板の絶縁基板の一方の面にアルミニウム回路層がろう付され、他方の面に緩衝層を介してヒートシンクが接合されていることを特徴とする放熱装置。