JP2010010537A - Circuit board and method of manufacturing the same, and electronic component module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップ等の電子部品を搭載する回路基板、及びこの回路基板の製造方法に関する。また、この回路基板を用いた電子部品モジュールに関する。 The present invention relates to a circuit board on which an electronic component such as a semiconductor chip is mounted, and a method for manufacturing the circuit board. The present invention also relates to an electronic component module using this circuit board.
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールには、セラミックス基板上に銅やアルミニウムなどからなる金属回路板等が形成された回路基板に半導体チップが接合され、搭載された形態のものが用いられる。こうした回路基板の一例として、図３にその上面図（ａ）及びそのＡ−Ａ方向の断面図（ｂ）を示すように、セラミックス基板９１上に銅でできた金属回路板９２が形成された構成が用いられる。ここで、金属回路板９２は実際には回路パターンとなる形状にパターニングされており、半導体チップ等（図示せず）がこれに接続されているが、単純化して記載している。この回路基板から出力を外部に取り出す、あるいはこれに信号を入力する形態は様々であるが、特に大電流を流す場合には、厚い銅板で構成された信号端子９３を設け、信号端子９３をセラミックス基板９１の外側にはみ出した形態で設置する。信号端子９３においてセラミックス基板９１から充分離れた箇所に接続孔（外部配線接続部）９４が設けられ、ここに外部配線（図示せず）をビス止め等の方法で固定することによって大電流の信号を外部配線に取り出す、あるいは半導体チップに電流を流すことができる。なお、セラミックス基板９１における金属回路板９２が形成された面と反対側の面には、放熱性を高めるために金属放熱板が形成されたり、放熱性の高い銅のブロックにこの反対側の面が接続されるが、ここでは図示を省略している。
In recent years, power semiconductor modules (for example, IGBT modules) capable of high voltage and large current operation have been used as inverters for electric vehicles. In such a semiconductor module, a semiconductor module is used in which a semiconductor chip is bonded and mounted on a circuit board in which a metal circuit board made of copper, aluminum, or the like is formed on a ceramic substrate. As an example of such a circuit board, a
図３の構造においては、信号端子９３と金属回路板９２は例えば超音波接合によって接続される。超音波接合においては、これらを図３に示す形態で積層した後に振動するホーンを信号端子９３表面に圧着し、積層部に加圧しつつ超音波を印加する。これにより、信号端子９３と金属回路板９２中の銅原子が相互拡散した領域である接合部９５を形成し、これらを直接接合する技術である。超音波接合においては、ろう付けと異なり、常温における接合も可能である。特に、大電流を信号端子９３に流す場合には、信号端子９３を厚くし、セラミックス基板９１から大きく離れた箇所に接続孔（外部配線接続部）９４を設ける必要がある。従って、接続孔９４への外部配線の接続時や、これが組み込まれた装置の使用時において、信号端子９３と金属回路板９２との接合部に大きな負担がかかる。これに対処するために、これらの接合強度を充分高くすることが必要になる。しかしながら、充分な接合強度を得るために加圧力を高くしたり、超音波のパワーを高くした場合、セラミックス基板９１は機械的に脆いため、接合部９５直下のセラミックス基板９１にクラックや割れが生ずることがある。
In the structure of FIG. 3, the
この点を改善して超音波接合を利用して図３の構造を作成する技術は、例えば特許文献１に記載されている。この技術においては、金属回路板と信号端子との接合部の位置を最適化することにより、セラミック基板９１にクラックを発生させずに強固な接合を得ることができた。これにより、図３に示す構造の回路基板を高い歩留まりで製造することができた。
A technique for improving this point and using the ultrasonic bonding to create the structure shown in FIG. In this technique, it is possible to obtain a strong bond without generating cracks in the
しかしながら、例えばＳｉＣ半導体チップのように特に大電流で動作する電子部品を搭載する場合、信号端子の電気抵抗を充分に小さくするためには信号端子をこれに応じて厚く、かつその幅を広くすることが必要になる。超音波接合に用いられるホーンの大きさには限定されるため、この場合には超音波接合を複数回に分けて行うことが必要になるが、この場合に充分な接合強度を得ることは困難であった。また、この厚い銅板を介して超音波接合を行う場合、超音波パワーが分散するため、充分な接合強度を得るためには、ホーンの加圧力及び超音波の印加パワーを更に高くすることが必要となり、上記の技術を用いた場合でも接合部直下のセラミックス基板にクラックや割れを生ずるおそれがあった。 However, when an electronic component that operates with a particularly large current, such as a SiC semiconductor chip, is mounted, in order to sufficiently reduce the electric resistance of the signal terminal, the signal terminal is made thicker and wider accordingly. It will be necessary. Since the size of the horn used for ultrasonic bonding is limited, in this case, it is necessary to perform ultrasonic bonding in multiple steps, but in this case, it is difficult to obtain sufficient bonding strength. Met. In addition, when ultrasonic bonding is performed through this thick copper plate, the ultrasonic power is dispersed. Therefore, in order to obtain sufficient bonding strength, it is necessary to further increase the pressure applied to the horn and the ultrasonic power applied. Therefore, even when the above technique is used, there is a possibility that cracks and cracks may occur in the ceramic substrate immediately below the joint.
従って、信号端子を厚く、その幅を広くした場合、信号端子と金属回路板との間の充分な接合強度を得ることは困難であった。 Therefore, when the signal terminal is thick and wide, it is difficult to obtain a sufficient bonding strength between the signal terminal and the metal circuit board.
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に、信号端子の一部が積層され、複数の箇所で超音波接合が行われることによって前記金属回路板と前記信号端子とが接続された回路基板であって、前記信号端子において、前記超音波接合が行われる複数の箇所の間にスリットが形成されたことを特徴とする回路基板に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記信号端子は前記セラミックス基板から突出した形態であり、前記超音波接合が行われる複数の箇所は、前記信号端子が前記セラミックス基板から突出した方向と垂直の方向に並んで形成され、前記スリットは前記方向に沿った形態で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回路基板に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記信号端子の前記セラミックス基板から突出した箇所に外部配線と接続される外部配線接続部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の回路基板に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、セラミックス基板の表面に形成された金属回路板に、信号端子の一部を積層し、複数の箇所で超音波接合を行って前記信号端子と前記金属回路板とを接続する回路基板の製造方法であって、前記信号端子において、前記超音波接合が行われる複数の箇所の間にスリットを形成し、超音波が印加されるホーンを前記複数の箇所に順次圧着して超音波接合を行うことを特徴とする回路基板の製造方法に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、前記信号端子は前記セラミックス基板から突出した形態であり、前記超音波接合が行われる複数の箇所を、前記信号端子が前記セラミックス基板から突出する方向と垂直の方向に並べて設定し、前記スリットを前記方向に沿った形態で形成することを特徴とする請求項５に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、前記超音波接合において、１０００〜１５００Ｐａの範囲の圧力が前記ホーンによって前記超音波接合が行われる複数の箇所に印加されることを特徴とする請求項５又は６に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記信号端子は銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記超音波接合を行う前に、前記金属回路板及び前記信号端子の表面の酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程を行うことを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の回路基板の製造方法に存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回路基板上に電子部品が搭載されて形成されたことを特徴とする電子部品モジュールに存する。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The gist of the invention described in claim 1 is that a part of the signal terminal is laminated on the metal circuit board formed on the surface of the ceramic substrate, and ultrasonic bonding is performed at a plurality of locations, whereby the metal circuit board and the metal circuit board are formed. A circuit board connected to a signal terminal, wherein a slit is formed between a plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed in the signal terminal.
The gist of the invention of
The gist of the invention described in claim 3 is that the circuit board according to
The gist of the invention of claim 4 is the circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal circuit board and the signal terminal are made of copper or a copper alloy. Exists on the substrate.
The gist of the invention of claim 5 is that the signal terminal and the metal circuit board are obtained by laminating a part of the signal terminal on the metal circuit board formed on the surface of the ceramic substrate and performing ultrasonic bonding at a plurality of locations. The circuit board is connected to the signal terminal, and a slit is formed between the plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed in the signal terminal, and a horn to which the ultrasonic wave is applied is sequentially applied to the plurality of locations. A circuit board manufacturing method is characterized in that ultrasonic bonding is performed by pressure bonding.
The gist of the invention described in claim 6 is that the signal terminal protrudes from the ceramic substrate, and a plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed are perpendicular to the direction in which the signal terminal protrudes from the ceramic substrate. 6. The circuit board manufacturing method according to claim 5, wherein the slits are formed in a direction along the direction, and the slit is formed in a form along the direction.
The gist of the invention described in claim 7 is that, in the ultrasonic bonding, pressure in a range of 1000 to 1500 Pa is applied to a plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed by the horn. 6. The method of manufacturing a circuit board according to item 6.
The gist of the invention according to claim 8 is the circuit according to any one of claims 5 to 7, wherein the metal circuit board and the signal terminal are made of copper or a copper alloy. It exists in the manufacturing method of a board | substrate.
The gist of the invention described in claim 9 is that an oxide film removing step for removing an oxide film on the surface of the metal circuit board and the signal terminal is performed before the ultrasonic bonding. The circuit board manufacturing method according to any one of claims 8 to 8.
The gist of the invention described in
本発明は以上のように構成されているので、信号端子を厚く、その幅を広くした場合にも、信号端子と金属回路板との間の充分な接合強度を得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, a sufficient bonding strength between the signal terminal and the metal circuit board can be obtained even when the signal terminal is thick and wide.
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments.
ここで用いられる超音波接合においては、金属回路板と信号端子とを部分的に積層させ、積層箇所に超音波が印加されたホーンを圧着させる。これにより、ホーン直下の金属回路板と信号端子との接合部分に超音波によるエネルギーが加わり、活性化された金属原子が相互拡散した接合部が形成され、安定な接合が得られる。 In ultrasonic bonding used here, a metal circuit board and a signal terminal are partially laminated, and a horn to which ultrasonic waves are applied is pressure-bonded to the laminated portion. As a result, energy by ultrasonic waves is applied to the joint portion between the metal circuit board and the signal terminal directly below the horn, and a joint portion in which activated metal atoms are mutually diffused is formed, thereby obtaining a stable joint.
発明者は、超音波接合を複数箇所において行った場合、信号端子においてホーンが圧着される複数の箇所の間にスリットを設けることにより、金属回路板と信号端子との間の高い接合強度を得ることができることを知見した。 The inventor obtains a high bonding strength between the metal circuit board and the signal terminal by providing slits between the plurality of positions where the horn is crimped on the signal terminal when ultrasonic bonding is performed at a plurality of positions. I found out that I can do it.
図１は、ここで製造される回路基板１０の上面図（ａ）及びそのＩ−Ｉ方向の断面図（ｂ）である。ここで、セラミックス基板１１の一方の面に金属回路板１２が形成されている。金属回路板１２には信号端子１３が接合されており、信号端子１３はセラミックス基板１１から大きく突出した形態となっている。ここで、金属回路板１２は実際には回路パターンとなる形状にパターニングされており、半導体チップ等の電子部品（図示せず）がこれに接続されて搭載されているが、単純化して記載している。信号端子１３のセラミックス基板１１から離れた部分には接続孔（外部配線接続部）１４が設けられている。接続孔１４にはビス止めで外部配線（図示せず）が接続され、搭載された電子部品へ電流を流す、あるいはこれから出力される電流が外部に取り出される。なお、セラミックス基板１１における金属回路板１２が形成された面と反対側の面には、放熱性を高めるために金属放熱板が形成されたり、放熱性の高い銅のブロックにこの反対側の面が接続されるが、ここでは図示を省略している。
FIG. 1 is a top view (a) of a
セラミックス基板１１は機械的強度が高く、かつ電気絶縁性および熱伝導率が高いセラミックス材料、例えば窒化珪素で構成される。その厚さは例えば０．３２ｍｍとすることができ、その形状は任意であるが、例えば矩形形状の板状である。
The
金属回路板１２は電気伝導度及び熱伝導率が高い銅や銅合金で形成され、この回路基板に搭載される半導体チップの配線となり、かつ半導体チップからセラミックス基板１１への放熱も行う。従って、図１中では単純な矩形の板状としてあるが、実際は配線となるべくパターニングされている。その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。ただし、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。
The
信号端子１３の一部は金属回路板１２に積層され、外部に配線を引き出すために金属回路板１２に接合される。従って、信号端子１３も配線の一部となるため、金属回路板１２と同様の材質である銅又は銅合金が用いられ、金属回路板１２と同様にその形状も適宜パターニングされる。また、その厚さについても金属回路板１２と同様であり、電気抵抗を小さくする観点からは厚い方が好ましい。
A part of the
信号端子１３の幅（図１（ａ）における上下方向の長さ）は、電気抵抗を小さくする観点からは、広いことが好ましい。一方で、超音波接合に用いられるホーンの大きさは限定されるため、信号端子１３を金属回路板１２に接合するためには、超音波接合を複数回（複数箇所）にわたり行うことが必要になる。
The width of the signal terminal 13 (the vertical length in FIG. 1A) is preferably wide from the viewpoint of reducing the electrical resistance. On the other hand, since the size of the horn used for ultrasonic bonding is limited, in order to bond the
接続孔１４は、信号端子１３における外部配線が接続しやすい平面部において、セラミックス基板１１から充分離れた距離に設定される。信号端子１３においては、図１中の左側の金属回路板１２に接する箇所と、右側の接続孔１４が設けられた箇所が平面状となるように図１中のＢ、Ｃの２箇所で屈曲した形状とされ、この加工は通常の板金加工を用いて行われる。
The
一般には、信号端子１３が厚い場合、超音波接合に用いられる超音波パワーが分散するために金属回路板１２との接合が困難となる。これに対して、本発明の回路基板においては、この場合においてもこれらの接合を強固にすることができる。このため、信号端子１３の厚さは１．５ｍｍ（１５００μｍ）以上であることが電気抵抗を小さくするために特に好ましい。
In general, when the
この信号端子１３は金属回路板１２に超音波接合されるが、その際に、２回に分けて接合される。この際には超音波接合器のホーンが圧着され、超音波がホーンに印加されてこれらが接合される。図１におけるホーン圧着箇所１５、１６の２箇所は、このホーンが圧着される箇所、すなわち超音波接合が行われる箇所であり、ホーン圧着箇所１５、１６の間にはスリット１７が形成されている。この例では、スリット１７は信号端子１３の左端から接続孔１４が形成された平面部（図１中Ｃ）にまで達している。ホーン圧着箇所１５、１６の直下において信号端子１３と金属回路板１２とが接触した箇所には、銅原子が相互拡散した接合部１８（図示せず）、１９がそれぞれ形成される。すなわち、この接合部１８、１９によってこの信号端子１３と金属回路板１２とは接合される。
The
この回路基板１０の製造方法を図２に示す。
A method for manufacturing the
まず、図２（ａ）において、セラミックス基板１１に金属回路板１２をろう付けで接合する。ろう材としては、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いることができ、７００℃以上でこれらを接合することができる。あるいは、セラミックス基板１１上にパターン化されていない板状の銅又は銅合金の板を同様にろう付けによって接合し、その後で銅又は銅合金の板をリソグラフィ、エッチングによってパターニングしてもよい。
First, in FIG. 2A, the
次に、図２（ｂ）に示されるように、図１の形態の信号端子１３を準備する。この際には、矩形形状の銅板に接続孔１４及びスリット１７を板金加工で形成し、その後に図１に示すＢとＣの箇所でこれを屈曲させて、図２（ｂ）に示す形状とする。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次に、図２（ｃ）に示されるように、図１の形態となるべく、金属回路板１２と信号端子１３とを積層する。すなわち、信号端子１３の左側の平面部と金属回路板１２とを密着させて積層する。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図２（ｄ）に示されるように、図１におけるホーン圧着箇所１５に超音波接合器のホーン２０を圧着し、超音波を印加する。これにより、ホーン圧着箇所１５の直下において信号端子１３と金属回路板１２とが接触した箇所には、接合部１８（図示せず）が形成され、信号端子１３と金属回路板１２とが接合される。この時の圧力は例えば１５００Ｐａ程度、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、振幅は４０μｍ程度で１秒程度の時間である。
Next, as shown in FIG. 2D, the
次に、図２（ｅ）に示されるように、図１におけるホーン圧着箇所１６に超音波接合器のホーン２０を圧着し、超音波を印加する。これにより、ホーン圧着箇所１６の直下において信号端子１３と金属回路板１２とが接触した箇所に接合部１９（図示せず）が形成され、信号端子１３と金属回路板１２とが接合される。これにより、図２（ｆ）に示されるように、信号端子１３と金属回路板１２とは接合部１８、１９の２箇所において接合され、この回路基板１０が製造される。
Next, as shown in FIG. 2E, the
ここで、超音波接合に用いられるホーン２０の面積（圧着面積）は、例えば６ｍｍ×９ｍｍ程度の大きさである。従って、接合部１８、１９の面積も最大で概ねこの大きさとなる。従って、信号端子１３の幅（図１（ａ）における上下方向の長さ）がこれよりも大きい場合、例えば２０ｍｍ以上となる場合には、超音波接合を複数箇所において行うことが、充分な接合強度を得るためには好ましい。従って、図２の製造方法においては、これを２箇所（１５、１６）において行っている。
Here, the area (crimping area) of the
超音波接合においては、ホーン２０の直下における信号端子１３と金属回路板１２との間の銅（金属）原子が相互拡散することによって接合が行われる。ここで、１回目の接合においては、図２（ｄ）に示されるように、ホーン圧着箇所１５の直下でのみこの接合が行われ、２回目の接合においては、図２（ｅ）に示されるように、ホーン圧着箇所１６の直下でのみこの接合が行われる。特に２回目の接合においては、ホーン圧着箇所１６において信号端子１３と金属回路板１２とを接合する方向に力が加わり、先に接合されたホーン圧着箇所１５においては、既に形成された信号端子１３と金属回路板１２との接合部を引き離す方向に力が加わることがある。この場合、２回目の接合（図２（ｅ））後においては、ホーン圧着箇所１６の直下の接合部は充分な接合強度をもつが、ホーン圧着箇所１５の直下の接合部の接合強度は、１回目の接合（図２（ｄ））直後よりも低下する。すなわち、超音波接合を複数回、複数箇所において行う場合には、後の接合を行う場合には、先に形成された接合部の接合強度は低下することがある。従って、信号端子１３と金属回路板１２の間の接合強度は、必ずしも接合回数あるいは接合箇所の数に比例して高くなるものではない。
In ultrasonic bonding, bonding is performed by mutual diffusion of copper (metal) atoms between the
ここで、接合強度は、銅原子の相互拡散が生じた面積、すなわち、接合部の面積にほぼ比例する。従って、接合強度が低下することは、接合面積の低下が発生することを意味する。 Here, the bonding strength is substantially proportional to the area where the mutual diffusion of copper atoms occurs, that is, the area of the bonding portion. Therefore, a decrease in bonding strength means that a decrease in bonding area occurs.
これに対して、この信号端子１３においては、ホーン圧着箇所１５、１６の間にスリット１７が形成されているため、２回目の接合（図２（ｅ））において、既に形成されているホーン圧着箇所１５の直下の接合部に対してホーン２０が圧着されることによる圧力、及び超音波が印加されることが低減される。従って、２回目の接合によってホーン圧着箇所１５の直下の接合部の接合強度が低下することが抑制される。すなわち、スリット１７を形成することにより、２回目の接合時において、１回目の接合時において形成された接合部への悪影響を低減することができる。
On the other hand, in this
また、スリット１７が形成されることにより、ホーン圧着箇所周辺の銅板（信号端子１３）が振動しやすくなり、超音波パワーが分散しにくく、より効率的に超音波パワーが印加され、ホーン圧着箇所の直下における接合部が形成されやすくなる。
In addition, the formation of the
従って、２回目の接合後において、ホーン圧着箇所１５の直下の接合部１８、及びホーン圧着箇所１６の直下の接合部１９の両方において、充分な接合強度が保たれる。従って、信号端子１３と金属回路板１２との間の接合強度を充分高くすることができる。
Therefore, after the second bonding, sufficient bonding strength is maintained at both the
スリット１７の幅（図１（ａ）における上下方向の長さ）は、信号端子１３の機械的強度が保たれる範囲内で任意である。すなわち、この幅が大きいとホーン圧着箇所１５、１６の直下の接合部の接合強度を充分高くすることができる反面、信号端子１３自身の機械的強度は低くなる。このため、この幅は信号端子１３の厚み以下とすることが好ましい。
The width of the slit 17 (the length in the vertical direction in FIG. 1A) is arbitrary as long as the mechanical strength of the
同様に、スリット１７の長さ（図１（ａ）における左右方向の長さ）も、信号端子１３の機械的強度が保たれる範囲内で任意である。すなわち、この長さが大きいと接合部１８、１９の接合強度を充分高くすることができる反面、信号端子１３自身の機械的強度は低くなる。図１の例においては、信号端子１３における接続孔１４は信号端子１３における右側の平面部（図１中のＣ）にわたり形成されているが、スリット１７が長いほど上記の効果は大きくなるために、接合強度が高くなる。一方でスリット１７が長いと信号端子１３自身の機械的強度が低下するため、スリット１７を信号端子１３の左端から接続孔１４が形成された平面部の左端（図１中のＣ）まで形成することが好ましい。
Similarly, the length of the slit 17 (the length in the left-right direction in FIG. 1A) is also arbitrary as long as the mechanical strength of the
なお、１回目の超音波接合（図２（ｄ））を行う前に、信号端子１３及び金属回路板１２の表面に対して酸化皮膜除去工程を行うことがより好ましい。ここで、酸化皮膜除去工程とは、表面に形成された銅の酸化膜（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯの酸化皮膜）を除去する工程である。具体的には、酸性溶液、例えば硫酸又は塩酸を含む液に信号端子１３及び金属回路板１２の接合面を浸漬することによりなされる。例えば、濃度５％の硫酸水溶液に、２５℃で３分間浸漬する。これにより、銅原子の相互拡散がより高い効率で行われ、高い接合強度（大きな接合面積）を得ることがより容易となる。
In addition, it is more preferable to perform an oxide film removal process with respect to the surface of the
以上により、この回路基板１０においては、金属回路板と信号端子との接合強度を充分に高くすることができる。特に、信号端子が厚くかつ幅広であり、これがセラミックス基板から突出した形態の場合においても、充分な接合強度を得ることができる。
As described above, in this
従って、信号端子が厚い構造の回路基板において、セラミックス基板上の金属回路板と信号端子との接合強度を充分高くすることができる。これにより、信頼性の高い信号端子付き回路基板を製造することができる。 Therefore, in a circuit board having a thick signal terminal, the bonding strength between the metal circuit board on the ceramic substrate and the signal terminal can be sufficiently increased. Thereby, a highly reliable circuit board with a signal terminal can be manufactured.
その後、半導体チップ等の電子部品を金属回路板１２上に搭載し、電子部品モジュールとすることができる。この場合には、はんだを用いて電子部品を搭載、あるいは電子部品からの配線を金属回路板１２に接続することができる。ただし、前記の超音波接合は常温で行うことができるため、信号端子１３を接合する前に電子部品を予め搭載しておくことも可能である。この電子部品モジュールにおいては、搭載された電子部品を大電流で動作させることができ、かつ信号端子１３と金属回路板１２との間の接合強度を高くすることができるため、電子部品モジュールの信頼性が高くなる。特にこうした電子部品としては、ＳｉＣ半導体素子のように、大電圧、大電流で動作するものを用いることもできる。
Thereafter, an electronic component such as a semiconductor chip can be mounted on the
なお、上記の例では、回路基板１０において、超音波接合を２箇所で行う設定としたが、これに限られるものではない。超音波接合を３箇所以上において順次行い、これに応じたホーン圧着箇所の間にスリットを形成することもできる。従って、信号端子の幅が広いために超音波接合を多数回、多数箇所において行う場合には特に本願発明は有効である。また、信号端子をセラミックス基板から突出した形状とせず、例えばセラミックス基板上のセラミックス基板から離れた箇所に外部配線接続部を設けた構成においても同様である。
In the above example, the
また、上記の例では、スリットは信号端子がセラミックス基板から突き出る方向（図１中の左右の方向）に沿った直線状の形態としたが、これに限られるものではない。信号端子の機械的強度を損なわないものであれば、スリットの方向、形状は任意である。同様に、上記の例では、ホーン圧着箇所（接合部）は信号端子がセラミックス基板から突き出る方向と垂直の方向（図１（ａ）における上下方向）に並んだ形態としたが、これに限られるものではない。ただし、信号端子の機械的強度を保つという観点からは、ホーン圧着箇所を図１（ａ）における上下方向に並べ、スリットを図１中の左右方向（信号端子がセラミックス基板から突き出る方向）に沿った形態とすることが好ましい。 In the above example, the slit has a linear shape along the direction in which the signal terminal protrudes from the ceramic substrate (the left-right direction in FIG. 1), but is not limited thereto. As long as the mechanical strength of the signal terminal is not impaired, the direction and shape of the slit are arbitrary. Similarly, in the above example, the horn crimping portion (joint portion) is arranged in a direction (in the vertical direction in FIG. 1 (a)) perpendicular to the direction in which the signal terminal protrudes from the ceramic substrate. It is not a thing. However, from the standpoint of maintaining the mechanical strength of the signal terminal, the horn crimped portions are arranged in the vertical direction in FIG. 1A, and the slit is along the horizontal direction in FIG. It is preferable to adopt the form.
同様に、信号端子は図１に示す形態としたが、その一部が金属回路板に複数箇所において超音波接合された形態であれば、任意である。外部配線接続部についても、接続孔に配線をビス止めする形態ではなく、配線をはんだ付けで接続できる形態としてもよい。 Similarly, although the signal terminal has the form shown in FIG. 1, any part may be used as long as a part thereof is ultrasonically bonded to the metal circuit board at a plurality of locations. The external wiring connection portion may also have a form in which the wiring can be connected by soldering, instead of a form in which the wiring is screwed to the connection hole.
また、上記の例では、スリットは信号端子の上面から下面まで貫通した構造としたが、これに限られるものではない。上記の効果を奏する範囲内で、スリットの代わりに信号端子を貫通しない溝を形成することもできる。 In the above example, the slit has a structure penetrating from the upper surface to the lower surface of the signal terminal. However, the present invention is not limited to this. A groove that does not pass through the signal terminal may be formed in place of the slit within the range where the above effect is achieved.
また、上記の例では、金属回路板及び信号端子は銅又は銅合金であるとしたが、これらが超音波接合が可能な他の材料であれば、本願発明が同様に適用できることは明らかである。 In the above example, the metal circuit board and the signal terminal are made of copper or a copper alloy. However, it is obvious that the present invention can be similarly applied if these are other materials capable of ultrasonic bonding. .
厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍの銅板を図１における左端からＢまでの距離を１０ｍｍ、ＢからＣまでの距離を９ｍｍとした信号端子とした。これを厚さ０．６４ｍｍのセラミックス基板（窒化珪素セラミックス基板）上に接合した厚さ１ｍｍの金属回路板（銅板）上に超音波接合し、その接合強度を調べた。ここで用いた超音波接合器におけるホーンの断面は６ｍｍ×９ｍｍの略矩形であり、印加した圧力は１５００Ｐａ程度、超音波の周波数は２０ｋＨｚ、振幅は４０μｍ程度で、１回の接合は１秒程度の時間とした。 A copper plate having a thickness of 2 mm and a width of 20 mm was used as a signal terminal in which the distance from the left end to B in FIG. 1 was 10 mm and the distance from B to C was 9 mm. This was ultrasonically bonded onto a 1 mm thick metal circuit board (copper plate) bonded on a 0.64 mm thick ceramic substrate (silicon nitride ceramic substrate), and the bonding strength was examined. The cross section of the horn in the ultrasonic bonder used here is an approximately 6 mm × 9 mm rectangle, the applied pressure is about 1500 Pa, the ultrasonic frequency is about 20 kHz, the amplitude is about 40 μm, and one bonding is about 1 second. It was time.
ここで、本願発明の実施例として、幅１ｍｍのスリットを図１中のＢまで形成し、その両側をホーン圧着箇所として２箇所で超音波接合を行った試料（実施例１）を作成した。同様に、同じ幅のスリットを図１中のＣまで形成した以外は実施例１と同様とした試料（実施例２）を作成した。また、比較例として、スリットを形成せず、超音波接合を実施例と同じ条件で１箇所でのみ行った試料（比較例１）、スリットを形成せず、超音波接合を実施例と同様に２箇所で行った試料（比較例２）を作成した。 Here, as an example of the present invention, a sample (Example 1) was formed in which slits having a width of 1 mm were formed up to B in FIG. Similarly, a sample (Example 2) similar to Example 1 was prepared except that slits having the same width were formed up to C in FIG. Moreover, as a comparative example, a slit was not formed, and ultrasonic bonding was performed only at one location under the same conditions as in the example (Comparative Example 1). A sample (Comparative Example 2) was prepared at two locations.
その結果、いずれの試料においても、クラックは発生せず、信号端子と金属回路板とが接合された。これらについて、接合強度、接合面積を測定した結果を表１に示す。ここで、接合強度はオートグラフを用いて、引張せん断試験によって測定した。接合面積は、試料全体に電解めっきを施してから信号端子を金属回路板から引き剥がし、めっき層が形成されていない箇所の面積が接合面積であるとして算出した。 As a result, no crack was generated in any sample, and the signal terminal and the metal circuit board were joined. Table 1 shows the results of measuring the bonding strength and the bonding area of these. Here, the bonding strength was measured by a tensile shear test using an autograph. The bonding area was calculated on the assumption that the area of the portion where the plating layer was not formed was the bonding area after the signal terminal was peeled off from the metal circuit board after electrolytic plating was performed on the entire sample.
この結果から、信号端子にスリットを形成して２箇所で接合を行った実施例１、２において高い接合強度、あるいは広い接合面積が得られることが確認できた。特に、実施例１の接合強度はスリットを設けない比較例２の接合強度よりも高く、かつ接合を１回のみ行った比較例１の接合強度の２倍よりも大きな接合強度が得られており、本願発明の有効性が確認できた。更に、長いスリットを設けた実施例２においては、実施例１よりも更に高い接合強度が得られることが確認できた。 From this result, it was confirmed that a high bonding strength or a wide bonding area was obtained in Examples 1 and 2 in which slits were formed in the signal terminals and bonding was performed at two locations. In particular, the bonding strength of Example 1 is higher than the bonding strength of Comparative Example 2 in which no slit is provided, and a bonding strength greater than twice the bonding strength of Comparative Example 1 in which bonding is performed only once is obtained. The effectiveness of the present invention was confirmed. Furthermore, in Example 2 provided with a long slit, it was confirmed that a higher bonding strength than that in Example 1 was obtained.
１０、９０ 回路基板
１１、９１ セラミックス基板
１２、９２ 金属回路板
１３、９３ 信号端子
１４、９４ 接続孔（外部配線接続部）
１５、１６ ホーン圧着箇所
１７ スリット
１８、１９、９５ 接合部
２０ ホーン
10, 90
15, 16
Claims (10)
前記信号端子において、前記超音波接合が行われる複数の箇所の間にスリットが形成されたことを特徴とする回路基板。 A circuit board in which a part of signal terminals is laminated on a metal circuit board formed on the surface of a ceramic substrate, and the metal circuit board and the signal terminals are connected by ultrasonic bonding at a plurality of locations. There,
In the signal terminal, a slit is formed between a plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed.
前記超音波接合が行われる複数の箇所は、前記信号端子が前記セラミックス基板から突出した方向と垂直の方向に並んで形成され、前記スリットは前記方向に沿った形態で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。 The signal terminal is a form protruding from the ceramic substrate,
The plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed are formed side by side in a direction perpendicular to the direction in which the signal terminals protrude from the ceramic substrate, and the slit is formed in a form along the direction. The circuit board according to claim 1.
前記信号端子において、前記超音波接合が行われる複数の箇所の間にスリットを形成し、
超音波が印加されるホーンを前記複数の箇所に順次圧着して超音波接合を行うことを特徴とする回路基板の製造方法。 A circuit board manufacturing method in which a part of a signal terminal is laminated on a metal circuit board formed on the surface of a ceramic substrate, and ultrasonic bonding is performed at a plurality of locations to connect the signal terminal and the metal circuit board. There,
In the signal terminal, a slit is formed between a plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed,
A method of manufacturing a circuit board, wherein ultrasonic bonding is performed by sequentially pressing a horn to which ultrasonic waves are applied to the plurality of locations.
前記超音波接合が行われる複数の箇所を、前記信号端子が前記セラミックス基板から突出する方向と垂直の方向に並べて設定し、前記スリットを前記方向に沿った形態で形成することを特徴とする請求項５に記載の回路基板の製造方法。 The signal terminal is a form protruding from the ceramic substrate,
The plurality of locations where the ultrasonic bonding is performed are set side by side in a direction perpendicular to a direction in which the signal terminals protrude from the ceramic substrate, and the slit is formed in a form along the direction. Item 6. A circuit board manufacturing method according to Item 5.
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