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JP2014067821A - Circuit board and electronic device - Google Patents

Circuit board and electronic device Download PDF

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JP2014067821A
JP2014067821A JP2012211094A JP2012211094A JP2014067821A JP 2014067821 A JP2014067821 A JP 2014067821A JP 2012211094 A JP2012211094 A JP 2012211094A JP 2012211094 A JP2012211094 A JP 2012211094A JP 2014067821 A JP2014067821 A JP 2014067821A
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JP
Japan
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layer
circuit board
wiring layer
silver
ceramic substrate
Prior art date
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Application number
JP2012211094A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Chikafumi Yoneda
親史 米田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve bond strength between a wiring layer and a plating layer in a circuit board having the wiring layer composed of an active brazing material.SOLUTION: The circuit board includes a ceramic board 1 and a group of wiring layers 2G provided at a principal plane of the ceramic board 1. The group of wiring layers 2G is composed of an active brazing material and includes a device mounting part 2a and a device connection part 2b. The circuit board further includes a protection layer 3a, an adhesion layer 3b, and a silver layer 3c provided on the mounting part 2a and the connection part 2b of the group of wiring layers 2G.

Description

本発明は、例えばパワーモジュール等の電子装置に用いられるセラミック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 ceramic circuit board and an electronic device used for an electronic device such as a power module.

近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の素子が搭載され大きな電
流が流されるパワーモジュール等の電子装置に、セラミック基板の主面に銅またはアルミニウム等の金属板が接合されたセラミック回路基板が用いられている。パワーモジュール等の電子装置およびそれに用いられる回路基板は、電気自動車の制御装置または熱電変換による発電装置等の用途において需要が高まりつつある。
In recent years, a ceramic circuit board in which a metal plate such as copper or aluminum is bonded to the main surface of a ceramic substrate is used for an electronic device such as a power module in which an element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mounted and a large current flows. It has been. The demand for electronic devices such as power modules and circuit boards used therefor is increasing in applications such as control devices for electric vehicles or power generation devices using thermoelectric conversion.

パワーモジュール等の電子装置に用いられる回路基板においては、電子装置の厚みを薄くするために、セラミック基板の主面に接合されている銅またはアルミニウム等の金属板に換えて活性ろう材から成る配線層を有するものが開発されている。   In a circuit board used for an electronic device such as a power module, in order to reduce the thickness of the electronic device, a wiring made of an active brazing material is used instead of a metal plate such as copper or aluminum bonded to the main surface of the ceramic substrate. Those with layers have been developed.

特開2002−246713号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-246713

しかしながら、活性ろう材から成る配線層を有する回路基板においては、例えば電気伝導率および熱伝導率において良好な銀ナノ粒子の接合材を用いる場合に、電気伝導率および熱伝導率を考慮して、配線層上に例えば銀等のめっき層を形成する場合があり、そのめっき層の形成の前処理またはめっき処理(特に置換めっき処理)において配線層の活性ろう材成分の一部において侵食が生じて、配線層とめっき層との界面にボイドが発生して、配線層とめっき層との接合強度が低下することがある。そして、配線層とめっき層との接合強度が低下することによって、めっき層が配線層から剥がれる可能性がある。   However, in a circuit board having a wiring layer made of an active brazing material, for example, when using a bonding material of silver nanoparticles having good electrical conductivity and thermal conductivity, considering the electrical conductivity and thermal conductivity, A plating layer such as silver may be formed on the wiring layer, and erosion occurs in a part of the active brazing filler metal component of the wiring layer in the pretreatment or plating treatment (particularly displacement plating treatment) of the plating layer formation. In some cases, voids are generated at the interface between the wiring layer and the plating layer, and the bonding strength between the wiring layer and the plating layer is lowered. Then, when the bonding strength between the wiring layer and the plating layer is lowered, the plating layer may be peeled off from the wiring layer.

本発明の一つの態様による回路基板は、セラミック基板と、セラミック基板の主面に設けられた配線層群とを含んでいる。配線層群は、活性ろう材から成り、素子の搭載部および素子との接続部を含んでいる。回路基板は、配線層群の搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層をさらに含んでいる。   A circuit board according to an aspect of the present invention includes a ceramic substrate and a wiring layer group provided on the main surface of the ceramic substrate. The wiring layer group is made of an active brazing material and includes an element mounting portion and a connection portion with the element. The circuit board further includes a protective layer, an adhesion layer, and a silver layer provided on the mounting portion and the connection portion of the wiring layer group.

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の回路基板と、回路基板の搭載部上に接合材を介して搭載されており接続部に電気的に接続された素子とを含んでいる。   An electronic device according to another aspect of the present invention includes a circuit board having the above-described configuration and an element that is mounted on a mounting portion of the circuit board via a bonding material and is electrically connected to the connection portion.

本発明の一つの態様による回路基板は、活性ろう材から成る配線層群の素子の搭載部および素子との接続部を含んでいる。回路基板は、配線層群の搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層をさらに含んでいる。回路基板おいては、保護層によって、銀層の形成処理またはその前処理における配線層の侵食が低減されており、配線層とめっき層との接合強度が向上されている。さらに、回路基板において、密着層によって、保護層と銀層との接合強度が向上されており、配線層に対する銀層の接合強度が向上されている。   A circuit board according to one aspect of the present invention includes a mounting portion of an element of a wiring layer group made of an active brazing material and a connecting portion with the element. The circuit board further includes a protective layer, an adhesion layer, and a silver layer provided on the mounting portion and the connection portion of the wiring layer group. In the circuit board, the protective layer reduces the erosion of the wiring layer in the silver layer formation process or its pretreatment, and the bonding strength between the wiring layer and the plating layer is improved. Further, in the circuit board, the bonding strength between the protective layer and the silver layer is improved by the adhesion layer, and the bonding strength of the silver layer to the wiring layer is improved.

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の回路基板を含んでいることによって、回路基板に対する素子の搭載または接続に関して向上されている。   An electronic device according to another aspect of the present invention includes a circuit board having the above-described configuration, thereby improving the mounting or connection of elements to the circuit board.

(a)は本発明の第1の実施形態における回路基板を示す平面図であり、(b)は(a)に示された回路基板のX−X線における縦断面図である。(A) is a top view which shows the circuit board in the 1st Embodiment of this invention, (b) is a longitudinal cross-sectional view in the XX line of the circuit board shown by (a). 図1(b)に示された電子装置において符号Aによって示された部分の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a portion indicated by reference numeral A in the electronic device shown in FIG. (a)は本発明の第2の実施形態における回路基板を示す平面図であり、(b)は(a)に示された電子装置のX−X線における縦断面図である。(A) is a top view which shows the circuit board in the 2nd Embodiment of this invention, (b) is a longitudinal cross-sectional view in the XX line of the electronic device shown by (a). 図3(b)に示された回路基板において符号Bによって示された部分の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a portion indicated by a symbol B in the circuit board shown in FIG. (a)は本発明の一つの実施形態における電子装置を示す上面図であり、(b)は(a)に示された電子装置のX−X線における縦断面図である。(A) is a top view which shows the electronic device in one Embodiment of this invention, (b) is a longitudinal cross-sectional view in the XX line of the electronic device shown by (a). 図5(b)に示された電子装置において符号Cによって示された部分の拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of a portion indicated by a symbol C in the electronic device shown in FIG.

本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。   Several exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1および図2に示されているように、本発明の第1の実施形態における回路基板は、セラミック基板1と、セラミック基板1の第1の主面(例えば上面)に設けられており複数の配線層2を含む配線層群2Gと、複数の配線層2上に設けられためっき層3と、セラミック基板1の第2の主面(例えば下面)に設けられた放熱層4とを含んでいる。
(First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the circuit board according to the first embodiment of the present invention is provided on the ceramic substrate 1 and the first main surface (for example, the upper surface) of the ceramic substrate 1. A wiring layer group 2G including the wiring layer 2, a plating layer 3 provided on the plurality of wiring layers 2, and a heat dissipation layer 4 provided on the second main surface (for example, the lower surface) of the ceramic substrate 1. It is out.

セラミック基板1は、絶縁性のセラミック材料からなり、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。これらの中では、熱伝導性(すなわち放熱性)の点からは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、強度の点からは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 ceramic substrate 1 is made of an insulating ceramic material, for example, ceramics such as aluminum oxide ceramics, mullite ceramics, silicon carbide ceramics, aluminum nitride ceramics, or silicon nitride ceramics. Among these, silicon carbide ceramics, aluminum nitride ceramics or silicon nitride ceramics are preferable from the viewpoint of thermal conductivity (that is, heat dissipation), and silicon nitride ceramics or silicon carbide ceramics are preferable from the viewpoint of strength. .

セラミック基板1の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよいが、作成工程中で加わる応力や使用中に加わる応力、セラミック回路基板の大きさ、セラミック回路基板の強さ、またはセラミック回路基板の材料における熱伝導率に応じて選択すればよく、例えば0.1m
m〜1mm程度である。
As for the thickness of the ceramic substrate 1, a thinner one may be better in terms of thermal conductivity, but stress applied during the manufacturing process or stress applied during use, the size of the ceramic circuit substrate, the strength of the ceramic circuit substrate, or the ceramic circuit substrate May be selected according to the thermal conductivity of the material, for example, 0.1 m
m to about 1 mm.

セラミック基板1は、平板状のものであり、平面視において例えば四角形状を有している。   The ceramic substrate 1 has a flat plate shape and has, for example, a rectangular shape in plan view.

セラミック基板1は、例えば窒化ケイ素質セラミックスから成る場合であれば、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 ceramic substrate 1 is made of, for example, silicon nitride ceramics, an appropriate organic binder, plasticizer and solvent are added to and mixed with raw material powders such as silicon nitride, aluminum oxide, magnesium oxide and yttrium oxide to form a slurry. A ceramic green sheet (ceramic green sheet) is formed by adopting a conventionally known doctor blade method or calender roll method, and then the ceramic green sheet is appropriately punched into a predetermined shape. A plurality of sheets are laminated to form a molded body, and then manufactured by firing at a temperature of 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as a nitriding atmosphere.

配線層2は、平面視において、セラミック基板1の上面に所望のパターン形状にて形成されており、活性ろう材から成る。配線層2は、例えばIGBT等の素子の搭載部2aと、素子との接続部2bとを含んでいる。   The wiring layer 2 is formed in a desired pattern shape on the upper surface of the ceramic substrate 1 in plan view, and is made of an active brazing material. The wiring layer 2 includes, for example, a mounting portion 2a for an element such as an IGBT and a connection portion 2b for the element.

配線層2を活性ろう材で形成するには、セラミック基板にスクリーン印刷等で活性ろう材ペーストを例えば30〜50μmの厚さで所定パターンに印刷塗布した後、真空中、水素ガス雰囲気、または水素および窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、活性ろう材ペーストの有機溶剤、溶媒および分散剤を気体に変えて発散
させるとともに活性ろう材を溶融させセラミック基板1と接合することによって行なわれ
る。なお、セラミック基板1の裏面に放熱層4を形成する場合は、配線層2と同様にして形成すればよい。
In order to form the wiring layer 2 with an active brazing material, an active brazing paste is applied to a ceramic substrate by screen printing or the like in a predetermined pattern with a thickness of, for example, 30 to 50 μm, and then in a vacuum, a hydrogen gas atmosphere, or hydrogen Heat in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas atmosphere at 780 ° C to 900 ° C for 10 to 120 minutes to change the organic solvent, solvent and dispersant of the active brazing paste into a gas, and emit the active brazing filler metal. It is performed by bonding to the ceramic substrate 1. Note that when the heat dissipation layer 4 is formed on the back surface of the ceramic substrate 1, it may be formed in the same manner as the wiring layer 2.

活性ろう材ペーストは、例えば銀ろう材であれば、例えば銀および銅粉末,銀−銅合金粉末,またはこれらの混合粉末から成る銀ろう材(例えば、銀:72質量%−銅:28質量%)粉末に対してチタン,ハフニウム,ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して2〜7質量%添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。   The active brazing paste is, for example, a silver brazing material, for example, a silver brazing material composed of silver and copper powder, silver-copper alloy powder, or a mixed powder thereof (for example, silver: 72% by mass-copper: 28% by mass). ) Active metal such as titanium, hafnium, zirconium or a hydride thereof is added to and mixed with the silver brazing material, and an appropriate binder and an organic solvent / solvent are added to and mixed with the powder. It is manufactured by.

また、上述の銀ろう材に換えてアルミニウムろう材(例えば、アルミニウム:88質量%−シリコン:12質量%)を用いてもよい。この場合も同様に活性金属をアルミニウムろう材に対して2〜7質量%添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって活性ろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。活性アルミニウムろう材を使用した場合には、活性銀ろう材より低温の約600℃でセラミッ
ク基板1と接合し配線層2を形成することができる。
Further, an aluminum brazing material (for example, aluminum: 88% by mass—silicon: 12% by mass) may be used instead of the above-described silver brazing material. In this case as well, an active metal is added and mixed in an amount of 2 to 7% by mass with respect to the aluminum brazing material, an appropriate binder and an organic solvent / solvent are added and mixed, and kneaded to prepare an active brazing material paste. What is necessary is just to join similarly. When an active aluminum brazing material is used, the wiring layer 2 can be formed by bonding to the ceramic substrate 1 at about 600 ° C., which is lower than that of the active silver brazing material.

本実施形態の回路基板において配線層2が活性ろう材から成ることによって、本実施形態の回路基板は、例えばいわゆるメタライズ層から成る配線層を有する回路基板に比べて、熱伝導性または電気伝導性に関して向上されている。   In the circuit board of this embodiment, the wiring layer 2 is made of an active brazing material, so that the circuit board of this embodiment has a thermal conductivity or an electric conductivity as compared with a circuit board having a wiring layer made of, for example, a so-called metallized layer. Has been improved.

メタライズ層とは、タングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)またはこれらの混合粉末から成る金属粉末と、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作されるメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布しておき、焼成することによって形成されるものをいう。   A metallized layer is manufactured by adding and mixing a metal powder composed of tungsten (W), molybdenum (Mo), manganese (Mn) or a mixed powder thereof, an appropriate binder, an organic solvent / solvent, and kneading. It is formed by printing and applying a metallized paste in a predetermined pattern shape and baking it.

焼結体であるメタライズ層は、多数の粒界を有しており、これらの多数の粒界によって熱伝導性または電気伝導性に関して低下することに対して、活性ろう材から成る配線層2は、溶融によって形成されており、熱伝導性または電気伝導性に関して向上されている。   The metallized layer, which is a sintered body, has a large number of grain boundaries, and the wiring layer 2 made of an active brazing material has a decrease in thermal conductivity or electrical conductivity due to the large number of grain boundaries. It is formed by melting and is improved with respect to thermal conductivity or electrical conductivity.

また、セラミック基板上にメタライズ層を同時焼成によって形成する場合には、メタライズ層とセラミック基板との焼成時の収縮の違い等で反りが発生し易いのに対して、配線層2を活性ろう材によって形成する場合は、反りに関して低減されており、セラミック基板1からの配線層2の剥がれの可能性も低減されており、熱伝導率の低下を抑えることができる。   Further, when the metallized layer is formed on the ceramic substrate by co-firing, the wiring layer 2 is used as an active brazing material, whereas warpage is likely to occur due to a difference in shrinkage between the metallized layer and the ceramic substrate. In this case, the warpage is reduced, the possibility that the wiring layer 2 is peeled off from the ceramic substrate 1 is also reduced, and a decrease in thermal conductivity can be suppressed.

めっき層3は、複数の配線層2において少なくとも素子の搭載部2aおよび素子との接続部2bに設けられている。めっき層3は、配線層2上に設けられた保護層3aと、保護層3a上に設けられた密着層3bと、密着層3b上に設けられた銀層3cとを含んでいる。   The plating layer 3 is provided in at least the element mounting portion 2 a and the element connection portion 2 b in the plurality of wiring layers 2. The plating layer 3 includes a protective layer 3a provided on the wiring layer 2, an adhesion layer 3b provided on the protection layer 3a, and a silver layer 3c provided on the adhesion layer 3b.

保護層3aは、例えば、ニッケル、ニッケル−コバルト合金またはニッケル−リン合金
等から成る。保護層3aは、銀層3cの形成処理またはその前処理において配線層2を保護して配線層2の侵食を低減させる働きがある。
The protective layer 3a is made of, for example, nickel, a nickel-cobalt alloy, or a nickel-phosphorus alloy. The protective layer 3a functions to protect the wiring layer 2 and reduce the erosion of the wiring layer 2 in the formation process of the silver layer 3c or the pretreatment thereof.

密着層3bは、例えばパラジウムまたはクロム等から成る。密着層3bは、例えばニッケル等の保護層3aに直接銀層3cを形成する場合に比べて、銀層3cの接合強度を向上させる働きがある。図2においては、密着層3bが連続的に形成されている構造が示されているが、部分的に形成された複数の密着層が分散しているような構造であってもよい。   The adhesion layer 3b is made of, for example, palladium or chromium. The adhesion layer 3b has a function of improving the bonding strength of the silver layer 3c as compared with the case where the silver layer 3c is directly formed on the protective layer 3a such as nickel. Although FIG. 2 shows a structure in which the adhesion layer 3b is continuously formed, a structure in which a plurality of adhesion layers partially formed are dispersed may be used.

ここで、めっき層3の構造および形成方法の例を説明する。   Here, an example of the structure and forming method of the plating layer 3 will be described.

配線層2の搭載部2aおよび接続部2bには、セラミック基板1に形成した後に、その表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性が良好な金属による保護層3aを被着させ、その上に表面に形成する銀層3bと保護層3aとの密着性を向上させるためのパラジウムから成る密着層3bを被着させ、表面に銀層3cを形成させると、搭載部2aに半導体素子等の素子7をナノ銀ペーストを加熱溶融させた接合材6を介して強固に接着させることができるとともに、接続部2bと素子7の端子もしくは外部電気回路との電気的接続をおこなうフレキシブル基板8との接続を良好なものとすることができる。   After forming the ceramic substrate 1 on the mounting portion 2a and the connection portion 2b of the wiring layer 2, a protective layer 3a made of nickel and having good conductivity and corrosion resistance is deposited on the surface of the ceramic substrate 1, When an adhesion layer 3b made of palladium for improving adhesion between the silver layer 3b formed on the surface and the protective layer 3a is deposited thereon, and the silver layer 3c is formed on the surface, a semiconductor element is formed on the mounting portion 2a. The element 7 such as the above can be firmly bonded via the bonding material 6 obtained by heating and melting the nano silver paste, and the flexible substrate 8 is used for electrical connection between the connection portion 2b and the terminal of the element 7 or an external electric circuit. The connection with can be made good.

なお、保護層3aがニッケルから成る場合には、内部に燐を9〜15質量%含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を良好に防止して接合材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が9質量%〜15質量%であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層3に半田を強固に接着させやすくなる。このニッケルから成る保護層3aは、その厚みが1μm以上の場合には、配線層2の表面を完全に被覆しやすくなり、配線層2の酸化腐蝕を有効に防止しやすくなる。また、10μm以下であると、特にセラミック基板の厚さが300μm未満の薄いものになった場合には、めっき層3の内部に
内在する内在応力が小さくなってセラミック基板に反りまたは割れ等が発生しにくくなる。したがって、ニッケルから成る保護層3aの厚みは、1μm〜10μmであることが好ましい。
In the case where the protective layer 3a is made of nickel, it is possible to prevent the surface oxidation of the plated layer made of nickel and prevent the bonding by adding 9 to 15% by mass of phosphorus inside to form an amorphous alloy of nickel-phosphorus. It is preferable because wettability with the material can be maintained for a long time. When the content of phosphorus with respect to nickel is 9% by mass to 15% by mass, it is easy to form an amorphous alloy of nickel-phosphorus, and it becomes easy to firmly adhere solder to the plating layer 3. When the thickness of the protective layer 3a made of nickel is 1 μm or more, it becomes easy to completely cover the surface of the wiring layer 2 and to effectively prevent the oxidative corrosion of the wiring layer 2. Further, when the thickness is 10 μm or less, particularly when the thickness of the ceramic substrate is less than 300 μm, the internal stress in the plating layer 3 is reduced, and the ceramic substrate is warped or cracked. It becomes difficult to do. Accordingly, the thickness of the protective layer 3a made of nickel is preferably 1 μm to 10 μm.

密着層3bがパラジウムから成る場合は、その厚みが0.05μm以上であると、密着層としての効果が得られやすい。また、0.5μm以下であると、密着性の向上にあまり寄与し
ない厚み部分を低減させることができ、コストを低減させることができる。したがって、パラジウムから成る密着層3bの厚みは0.05μm〜0.5μmであることが好ましい。
When the adhesion layer 3b is made of palladium, if the thickness is 0.05 μm or more, the effect as the adhesion layer is easily obtained. In addition, when the thickness is 0.5 μm or less, the thickness portion that does not contribute much to the improvement in adhesion can be reduced, and the cost can be reduced. Therefore, the thickness of the adhesion layer 3b made of palladium is preferably 0.05 μm to 0.5 μm.

銀層3cとしては、銀は金属中で最も電気伝導率や熱伝導率が優れているので、純銀が好ましい。   As the silver layer 3c, pure silver is preferable since silver has the highest electrical conductivity and thermal conductivity among metals.

表面の銀層3cは、その厚みが0.1μm以上の場合には、素子を接合するための接合材
との濡れ性が向上される。また、5μmを以下であると、銀層3cに対する接合材の濡れ性に寄与しない厚み部分低減させることができ、コストを低減させることができる。したがって、表面の銀層3cの厚みは0.1μm〜5μmであることが好ましい。
When the thickness of the surface silver layer 3c is 0.1 μm or more, the wettability with the bonding material for bonding elements is improved. Moreover, the thickness part which does not contribute to the wettability of the bonding | jointing material with respect to the silver layer 3c can be reduced as it is 5 micrometers or less, and cost can be reduced. Accordingly, the thickness of the surface silver layer 3c is preferably 0.1 μm to 5 μm.

なお、活性ろう材として銀−銅合金から成る活性銀ろう材を用いた場合には、活性ろう材から成る配線層2の表面に保護層3aをめっき法で形成しようとした場合に、めっきの前処理で活性ろう材の表面近くの銅成分が前処理駅で溶解されやすく、それによって活性ろう材中に空隙ができることで配線層2と保護層3aとの接合面積が低下することが要因のひとつとなり密着強度が低下し易くなるために、めっきの前処理で活性ろう材の成分を溶解し難い前処理を用いることが有効である。これによって、活性ろう材による配線層2にボイドを発生させずにニッケルによる保護層3aを形成することができるようになり、
このボイドが形成されていない配線層2上に保護層3aが形成されていることで保護層3aの接合強度が高くなる。
When an active silver brazing material made of a silver-copper alloy is used as the active brazing material, when the protective layer 3a is formed on the surface of the wiring layer 2 made of the active brazing material by a plating method, The reason is that the copper component near the surface of the active brazing material is easily dissolved at the pretreatment station by the pretreatment, and thereby the void is formed in the active brazing material, thereby reducing the bonding area between the wiring layer 2 and the protective layer 3a. It is effective to use a pretreatment that hardly dissolves the components of the active brazing material in the pretreatment of the plating because the adhesion strength tends to decrease. Thereby, it becomes possible to form the protective layer 3a made of nickel without generating voids in the wiring layer 2 made of active brazing material,
Since the protective layer 3a is formed on the wiring layer 2 where no void is formed, the bonding strength of the protective layer 3a is increased.

また、活性ろう材からなる配線層2に保護層3aを形成しないで直接銀層3cを形成した場合には、前処理で活性ろう材中にボイドが形成されない様に処理液を選んでも、銀層3cの保護層3aとの接合強度は不十分である。   In addition, when the silver layer 3c is formed directly on the wiring layer 2 made of the active brazing material without forming the protective layer 3a, the silver oxide can be used even if the processing solution is selected so that no voids are formed in the active brazing material in the pretreatment. The bonding strength between the layer 3c and the protective layer 3a is insufficient.

そのため、素子または電気的接続手段が接合される回路基板においては、活性ろう材からなる配線層2の搭載部2aおよび接続部2bに保護層3a、密着層3bおよび銀層3cが設けられていることによって、活性ろう材からなう配線層2におけるボイド低減させることができ、かつ活性ろう材から成る配線層2の搭載部2aおよび接続部2bに素子または導体層8aを接合した場合の接合強度が向上しているので、薄型化した回路基板の接続信頼性に関して向上されている。   Therefore, in the circuit board to which the element or the electrical connection means is bonded, the protective layer 3a, the adhesion layer 3b, and the silver layer 3c are provided on the mounting portion 2a and the connection portion 2b of the wiring layer 2 made of the active brazing material. Thus, voids in the wiring layer 2 made of the active brazing material can be reduced, and the bonding strength when the element or the conductor layer 8a is bonded to the mounting portion 2a and the connecting portion 2b of the wiring layer 2 made of the active brazing material Therefore, the connection reliability of the thin circuit board is improved.

また、裏面の放熱層4にも、同様の保護層3a、密着層3b、銀層3cを形成しておくと、耐蝕性が向上すると共に、外部回路基板または冷却体への接合が良好になるのでよい。   Further, if the same protective layer 3a, adhesion layer 3b, and silver layer 3c are also formed on the heat dissipation layer 4 on the back surface, the corrosion resistance is improved and the bonding to the external circuit board or the cooling body is improved. So good.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図3および図4を参照して説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図3、図4に示された例において、回路基板は外部配線と接続するための金属リード5が配線層2に直接接続されている。本発明の一つの態様による回路基板は、このような構成を含んでいることによって、外部配線との接続が容易となると共に大電流を流すことが容易となる。   In the example shown in FIGS. 3 and 4, the circuit leads are directly connected to the wiring layer 2 with metal leads 5 for connection to external wiring. By including such a configuration, the circuit board according to one aspect of the present invention can be easily connected to external wiring and can easily flow a large current.

金属リード5は、銅やアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等の機械的加工やエッチング等の化学的加工のような従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜1mmの平板状で、所定形状に形成される。   The metal lead 5 is made of a metal such as copper or aluminum. For example, a conventionally known metal processing method such as mechanical processing such as rolling or punching or chemical processing such as etching is performed on a copper ingot. Is applied to form a predetermined shape, for example, in the form of a flat plate having a thickness of 0.05 to 1 mm.

金属リード5が銅から成る場合は、無酸素銅で形成するのが好ましい。無酸素銅で形成すると、金属リード5とセラミック基板1との接合を行なう際に、銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく、活性ろう材からなる配線層2との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。   When the metal lead 5 is made of copper, it is preferably formed of oxygen-free copper. When formed of oxygen-free copper, when the metal lead 5 and the ceramic substrate 1 are joined, the surface of the copper is not oxidized by oxygen present in the copper and is wetted with the wiring layer 2 made of an active brazing material. Since the property becomes good, the bonding becomes strong.

セラミック基板1の上面に金属リード5を直接接続する回路基板とする場合は、以下のようにすればよい。まず、セラミック基板1を準備する。また、金属板をプレス加工や、エッチング加工等を用い、金属リード5形状に加工する。次にセラミック基板1と金属リード5が相対する接合部の少なくとも一方に、接合後に活性ろう材となる活性金属入りのろう材ペーストを所定形状にスクリーン印刷等で塗布する。各部材を所定の位置に配置し、位置がずれないように治具等を用いて荷重をかけながら真空中でろう材が溶融する温度まで昇温し各部材を接合する。その後保護層3a、密着層3b、銀層3cを形成することで、本発明の回路基板となる。   When a circuit board in which the metal leads 5 are directly connected to the upper surface of the ceramic substrate 1 is used, the following may be performed. First, the ceramic substrate 1 is prepared. Further, the metal plate is processed into the shape of the metal lead 5 using press processing, etching processing, or the like. Next, a brazing material paste containing an active metal, which becomes an active brazing material after joining, is applied to at least one of the joining portions where the ceramic substrate 1 and the metal lead 5 face each other by screen printing or the like. Each member is arranged at a predetermined position, and a temperature is raised to a temperature at which the brazing filler metal melts in a vacuum while applying a load using a jig or the like so that the position does not shift, and the members are joined. Thereafter, the protective layer 3a, the adhesion layer 3b, and the silver layer 3c are formed, whereby the circuit board of the present invention is obtained.

なお、金属リード5とセラミック基板1の接合強度の点では金属リード5に活性金属入りのろう材ペーストを印刷して接続するより、セラミック基板1に金属リード5との接合部を金属リード5より全周にわたり大きく形成し金属リード5を接合するのが好ましい。   Incidentally, in terms of the bonding strength between the metal lead 5 and the ceramic substrate 1, the solder lead containing active metal is printed on the metal lead 5 and connected thereto, and the bonding portion between the metal lead 5 and the ceramic substrate 1 is connected to the ceramic lead 1 from the metal lead 5. It is preferable that the metal lead 5 is bonded to the entire circumference.

また、金属リード5のセラミックとの接合は端子部分だけとし、リード部分は接合しな
いようにすると金属リード5が銅(熱膨張係数17×10-6/℃)でありセラミック基板1が窒化珪素質焼結体(熱膨張係数4×10-7/℃)の場合のように、それぞれの熱膨張係数の差が大きく異なっていたとしても温度サイクルによってセラミック基板1にクラックが発生し難くなるので信頼性の点で好ましい。
If the metal lead 5 is bonded to the ceramic only at the terminal portion and the lead portion is not bonded, the metal lead 5 is made of copper (thermal expansion coefficient 17 × 10 −6 / ° C.) and the ceramic substrate 1 is made of silicon nitride. As in the case of a sintered body (thermal expansion coefficient 4 × 10 -7 / ° C), even if the difference in thermal expansion coefficient differs greatly, cracks are less likely to occur in the ceramic substrate 1 due to the temperature cycle. From the viewpoint of sex.

金属リード5は図4に示す例のように、活性ろうからなる配線層2と直接接合する場合には、活性ろう材ペーストをセラミック基板1に接合する工程で同時に金属リード5も接合することができると共に、金属リード5の下の配線層2を他の部分に比べて薄くすることが可能となるので、金属リード5を含めた回路基板の厚みを薄く出来るので好ましい。   When the metal lead 5 is directly joined to the wiring layer 2 made of active brazing as in the example shown in FIG. 4, the metal lead 5 can be joined at the same time in the step of joining the active brazing paste to the ceramic substrate 1. In addition, since the wiring layer 2 below the metal lead 5 can be made thinner than other portions, the thickness of the circuit board including the metal lead 5 can be reduced, which is preferable.

(電子装置)
図5(a)は、本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、(b)は(a)のX−X線で切断した断面の一例を示す断面図である。なお、図5(b)においては、図示の都合上、めっき層3を省略している。図6は、図5(b)のC部の拡大図である。6は接合材であり、7は素子であり、8は例えばフレキシブル基板等の電気的な接続手段であり、8aは接続手段8の導体層、8bは接続手段8の絶縁層、9は放熱板である。
(Electronic device)
FIG. 5A is a plan view showing an example of an embodiment of the electronic device of the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view showing an example of a cross section taken along line XX in FIG. In FIG. 5B, the plating layer 3 is omitted for the sake of illustration. FIG. 6 is an enlarged view of a portion C in FIG. 6 is a bonding material, 7 is an element, 8 is an electrical connection means such as a flexible substrate, 8a is a conductor layer of the connection means 8, 8b is an insulating layer of the connection means 8, and 9 is a heat sink. It is.

図5、図6に示された例において、電子装置は本発明の実施形態における回路基板と、回路基板の搭載部2a上に接合材6を介して搭載されており、接続部2bに電気的に接続された素子7とを備えている。本発明の一つの態様による電子装置は、このような構成を含んでいることによって、薄型化した電子装置の接続信頼性に関して向上されている。   In the example shown in FIGS. 5 and 6, the electronic device is mounted on the circuit board according to the embodiment of the present invention and the mounting portion 2a of the circuit board via the bonding material 6, and is electrically connected to the connecting portion 2b. And an element 7 connected to the. By including such a configuration, the electronic device according to one aspect of the present invention is improved in connection reliability of the thinned electronic device.

回路基板の熱伝導性を低下させないためには、回路基板上の配線層2と素子7を接続する接合材6は、熱伝導率の高い材料が望ましい。また、回路基板との接合時に合金層を形成すると合金層の電気伝導率や熱伝導率は低下するので、接合材としては銀もしくは銀と金属間化合物を作成しない金等を用いるのが好ましい。また、搭載時に加わる温度が高いと、各々の熱膨張係数の違いによって反りが発生し易くなり、熱伝導率が低下し易くなるために、接合材6は例えば銀ナノ粒子を用いた銀ナノペーストを搭載部2aに形成しておき、これに300℃程度の熱を加えながらナノ粒子が凝集するに従って粒子間の隙間を塞ぐ
ように加圧することで、ボイドの少ない接合材6を得ることができる。空気雰囲気で加熱加圧することでバルク化できる銀ナノペーストが作業性としては優れているが、例えば不活性雰囲気で加熱加圧することで銅ナノペーストを用いた銅を接合材6とすることも可能であるし、特にナノペーストを用いずに、融点が300℃程度の半田ペーストを用いても構
わない。ナノペーストを用いる場合には、凝集に伴って粒子間の隙間が開くことを防ぐための加圧が必要となるために、セラミック基板1が窒化ケイ素質セラミックスのように強度の高いセラミックスを使用することが必要となるが、300℃程度の例えばAuSnやA
uSiを用いた半田ペーストを使用した場合にはフラックスによりボイドを防ぐことができるため加圧を小さくしてもボイドを少なくできるようになるので、強度がそれほど強くないアルミナセラミックス基板を使用できるようになるので、素子の寸法や要求される熱伝導率等を考慮して決めればよい。
In order not to lower the thermal conductivity of the circuit board, the bonding material 6 that connects the wiring layer 2 and the element 7 on the circuit board is preferably a material having high thermal conductivity. Further, if an alloy layer is formed at the time of bonding to the circuit board, the electrical conductivity and thermal conductivity of the alloy layer are lowered. Therefore, it is preferable to use silver or gold that does not form an intermetallic compound with silver as the bonding material. In addition, when the temperature applied during mounting is high, warpage is likely to occur due to the difference in thermal expansion coefficient, and the thermal conductivity is likely to decrease. Therefore, the bonding material 6 is, for example, a silver nano paste using silver nanoparticles. Is formed on the mounting portion 2a, and a pressure is applied to close the gap between the particles as the nanoparticles are aggregated while applying heat of about 300 ° C., so that the bonding material 6 with less voids can be obtained. . Silver nanopaste that can be bulked by heating and pressurizing in an air atmosphere is excellent in workability. For example, copper using copper nanopaste can be used as the bonding material 6 by heating and pressing in an inert atmosphere. In particular, a solder paste having a melting point of about 300 ° C. may be used without using the nano paste. In the case of using the nano paste, since it is necessary to pressurize to prevent the gaps between the particles from opening due to aggregation, the ceramic substrate 1 uses a ceramic having a high strength such as a silicon nitride ceramic. For example, AuSn or A at about 300 ° C.
When solder paste using uSi is used, voids can be prevented by flux, so even if the pressure is reduced, the voids can be reduced, so that an alumina ceramic substrate having a low strength can be used. Therefore, it may be determined in consideration of the dimensions of the element and the required thermal conductivity.

素子7としては、トランジスタ,CPU(Central Processing Unit)用のLSI(Large Scale Integrated circuit),IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)等の半導体素
子が挙げられる。
Examples of the element 7 include semiconductor elements such as transistors, LSIs (Large Scale Integrated circuits) for CPUs (Central Processing Units), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistors). .

素子7と接続部2bの電気的接続には、例えばフレキシブル基板のような接続手段8が用いられる。素子7と接続手段8の導体部8aおよび、接続手段8の導体部8aと接続部2bの電気的接続にも同じナノ銀ペーストを加熱溶融した接合材6が用いられる。フレキシブル基板のような接続手段8は接続部2bと接続させず、外部回路基板と直接接続して
も構わないが、接続部2bと接続していることによって、より導体の断面積が大きくなることで大電流を流せるようになり、また回路基板を介して放熱することで熱放散性に関しても改善されるので、接続部2bと接続するのが好ましい。
For electrical connection between the element 7 and the connection portion 2b, connection means 8 such as a flexible substrate is used. The bonding material 6 in which the same nano silver paste is heated and melted is also used for electrical connection between the element 7 and the conductor portion 8a of the connecting means 8 and between the conductor portion 8a of the connecting means 8 and the connecting portion 2b. The connection means 8 such as a flexible board may be directly connected to the external circuit board without being connected to the connection part 2b, but the cross-sectional area of the conductor becomes larger by being connected to the connection part 2b. Therefore, it is preferable to connect to the connection portion 2b because a large current can be passed through and the heat dissipation is improved by radiating heat through the circuit board.

1・・・・・セラミック基板
2・・・・・配線層
2a・・・・搭載部
2b・・・・接続部
3・・・・・めっき層
3a・・・・保護層
3b・・・・密着層
3c・・・・銀層
4・・・・・放熱層
5・・・・・金属リード
6・・・・・接合材層
7・・・・・素子
8・・・・・接続手段
8a・・・・導体層
8b・・・・絶縁層
9・・・・・放熱板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ceramic substrate 2 ... Wiring layer 2a ... Mounting part 2b ... Connection part 3 ... Plating layer 3a ... Protective layer 3b ... Adhesion layer 3c ... Silver layer 4 ... Heat dissipation layer 5 ... Metal lead 6 ... Bonding material layer 7 ... Element 8 ... Connection means 8a・ ・ ・ ・ Conductor layer 8b ・ ・ ・ ・ Insulating layer 9 ・ ・ ・ Heat sink

Claims (3)

セラミック基板と、
該セラミック基板の主面に設けられており、活性ろう材から成り、素子の搭載部および前記素子との接続部を含む配線層群と、
該配線層群の前記搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層とを備えていることを特徴とする回路基板。
A ceramic substrate;
A wiring layer group provided on the main surface of the ceramic substrate, made of an active brazing material, including a mounting portion of the element and a connecting portion with the element;
A circuit board comprising a protective layer, an adhesion layer, and a silver layer provided on the mounting portion and the connection portion of the wiring layer group.
前記配線層群のうち前記接続部を有する配線層に直接接続された、外部配線との接続用の金属リードをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の回路基板。   The circuit board according to claim 1, further comprising a metal lead for connection with an external wiring, which is directly connected to a wiring layer having the connection portion in the wiring layer group. 請求項1記載の回路基板と、
該回路基板の前記搭載部上に接合材を介して搭載されており、前記接続部に電気的に接続された素子とを備えていることを特徴とする電子装置。
A circuit board according to claim 1;
An electronic device comprising: an element mounted on the mounting portion of the circuit board via a bonding material and electrically connected to the connection portion.
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