JP5812882B2

JP5812882B2 - 配線基板および電子装置

Info

Publication number: JP5812882B2
Application number: JP2012011155A
Authority: JP
Inventors: 浩二早川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013149912A

Description

本発明は、電子部品が搭載される配線基板および電子装置に関するものである。

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配線基板として、セラミック基体に金属板が接合された配線基板が用いられる。金属板は、例えば銅（Ｃｕ）またはモリブデン（Ｍｏ）等を材料とする複数の金属層を、セラミック基体の厚み方向に積層して接着したクラッド材である（例えば、特許文献１を参照。）。クラッド材は、例えばＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕの３層構造のものが知られており、Ｍｏの下部に位置する下部Ｃｕ層がセラミック基体に接合されており、Ｍｏの上部に位置する上部Ｃｕ層が電子部品の搭載領域または電子部品と電気的に接続される配線となる領域である。

特開2007−335795号公報

上述の配線基板において、例えばＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕの３層構造のクラッド材からなる金属板は、加熱または冷却されたときに、Ｍｏ層の膨張量または収縮量よりもＣｕ層の膨張量または収縮量が大きい。また、下部Ｃｕ層はセラミック基体に接合されていることによって、セラミック基体に拘束されるので、下部Ｃｕ層の膨張量または収縮量よりも上部Ｃｕ層の膨張量または収縮量の方が大きい。したがって、上部Ｃｕ層が膨張または収縮すると、Ｍｏ層と下部Ｃｕ層とが上部Ｃｕ層に引っ張られるような内部応力が金属板に生じて、金属板が変形する。金属板が変形すると、金属板の変形に引っ張られるようにセラミック基体が反ることによって、配線基板が反る。

本発明の一つの態様による配線基板は、セラミック基体と、セラミック基体に接合されており、複数の第１の金属層と複数の第１の金属層の間に設けられた複数の第１の金属層
よりも熱膨張係数の小さい第２の金属層とを有する金属板とを備えている。複数の第１の金属層のうち上部金属層の厚みは下部金属層の厚みよりも小さく、かつ第２の金属層の厚み以上である。

本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の配線基板と、配線基板の金属板に搭載された電子部品とを備えている。

本発明の一つの態様による配線基板は、複数の第１の金属層のうち、セラミック基体に接合されていることによって拘束された下部金属層に比べて膨張または収縮しやすい上部金属層の厚みが、下部金属層の厚みよりも小さく、かつ第２の金属層の厚み以上である。このような構成とすることによって、上部金属層の膨張量または収縮量と下部金属層の膨張量または収縮量との差が低減されるので、下部金属層が上部金属層に引っ張られるような内部応力が低減される。したがって、上部金属層の収縮または膨張に伴う金属板の変形が低減されてセラミック基体の反りを低減し、配線基板の反りを低減できる。また、上部金属層に例えば銅等の熱伝導率の高い金属材料を用いたときに、金属板の熱伝導率を向上できるので、配線基板の放熱性を向上できる。

本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の配線基板と、配線基板の金属板に搭載された電子部品とを備えていることから、配線基板と電子部品との接合強度が高く、長期信頼性に優れたものとなる。

本発明の参考例の実施形態における電子装置の断面図である。図１のＡ部の拡大図である。本発明の実施形態における電子装置の金属板の断面図である。

以下、本発明の参考例の実施形態および例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（参考例の実施形態）
図１および図２を参照して本発明の参考例の実施形態における電子装置について説明する。本実施形態における電子装置は、配線基板１と、配線基板１に搭載された電子部品２とを有している。なお、図１および図２において、電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられて、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とは仮想のｚ軸の正方向のことである。また、配線基板１を冷却したときの金属板の収縮による内部応力を二点鎖線の矢印で示す。

配線基板１は、セラミック基体11と、セラミック基体11上に設けられた金属板12とを含んでいる。

セラミック基体11は、略四角形状であり、金属板12を支持する支持部材として機能する。セラミック基体11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。セラミック基体11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、より厚みの大きい金属板12を用いたとしてもセラミック基体11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配線基板１を実現することができる。

セラミック基体11の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1ｍｍ〜１ｍ
ｍであり、配線基板１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。

セラミック基体11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た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。

金属板12は、複数の第１の金属層121と複数の第１の金属層121の間に設けられた複数の第１の金属層121よりも熱膨張係数の小さい第２の金属層122とを含んでいる。本実施形態において金属板12は、２層の第１の金属層121の間に第２の金属層122が設けられた３層構造である。第１の金属層121と第２の金属層122は、セラミック基体11の厚み方向、すなわちｚ軸方向に積層されている。第１の金属層121は、図２に示すように、第２の金属層122の上方に設けられた上部金属層121ａと、第２の金属層122の下方に設けられておりセラミック基体11に接合される面を有する下部金属層121ｂとを含んでいる。なお、下部金属層1
21ｂは、セラミック基体11に接合されているので、セラミック基体11によって収縮または膨張が抑制されている。また、図２はセラミック基体11の上面に設けられた金属板12を示しているが、下面に設けられた金属板12では構成が上下方向で逆になるので、セラミック基体11に接合されているのが下部金属層121ｂになる。

金属板12は、セラミック基体11の少なくとも１つの主面（上面または下面）に取着され、金属板12上に搭載される電子部品２の発生する熱を放熱するための放熱板として機能する。

金属板12の第１の金属層121は、放熱性の観点から、熱伝導率の高い金属材料が用いら
れ、例えば銅等の高熱伝導率の金属材料が好適に用いられる（銅の熱伝導率：395Ｗ／ｍ
・Ｋ）。銅のインゴット（塊）に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが10〜300μｍの平板状で所定パターンに形成される。

金属板12の第２の金属層122は、金属板12の熱膨張を抑えるためのものであり、例えば
第１の金属層121が銅である場合には、銅よりも熱膨張係数の小さいモリブデン等の金属
材料を用いて、第１の金属層121と同様の方法で20〜300μｍの厚みの平板状で所定パターンに形成される。

金属板12は、第１の金属層121と第２の金属層122とを重ねて形成される。具体的には、第１の金属層121のうち下部金属層121ｂ上に第２の金属層122を重ねた後、第２の金属層122上に第１の金属層121のうち上部金属層121ａを重ねて金属積層体を形成する。金属積層体は、圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜１ｍｍの平板状で所定パターンに形成された金属板12となる。上部金属層121ａの厚みＤ121ａは下部金属層121ｂ
の厚みＤ121ｂよりも小さく、下部金属層121ｂの厚みＤ121ｂが60〜90μｍであれば、上
部金属層121ａの厚みＤ121ａは20〜40μｍである。また、セラミック基体11の下面に金属板12が設けられる場合は、図１に示された例のように、金属板12はセラミック基体11の下面のほぼ全面に形成され、配線基板１に搭載された電子部品２の放熱性を高めるようにすることが好ましい。

上述の金属板12は、セラミック基体11に接合されて拘束された下部金属層121ｂに比べ
て膨張または収縮しやすい上部金属層121ａの厚みＤ121ａが、下部金属層121ｂの厚みＤ121ｂよりも小さい。このような構成であることから、上部金属層121ａの収縮量または膨
張量と、下部金属層121ｂの収縮量または膨張量との差が低減されているので、上部金属
層121ａの収縮または膨張による内部応力Ｆ121ａと、下部金属層121ｂの収縮または膨張
による内部応力Ｆ121ｂとの差が低減される。例えば、上部金属層121ａと下部金属層121
ｂとが収縮する場合であれば、図２に示された例のように、上部金属層121ａの収縮によ
る内部応力Ｆ121ａと、下部金属層121ｂの収縮による内部応力Ｆ121ｂとの差が低減され
る。したがって、下部金属層121ｂが上部金属層121ａに引っ張られるような内部応力が低減されて、金属板12の変形を低減できる。

本実施形態において、上部金属層121ａの厚みＤ121ａが、第２の金属層122の厚みＤ122に対して小さくなると、上部金属層121ａの内部応力Ｆ121ａによる第２の金属層122の変
形を低減できる。特に、上部金属層121ａの厚みＤ121ａが第２の金属層122の厚みＤ122よりも小さいときには、上部金属層121ａの収縮または膨張によって生じた内部応力Ｆ121ａによる第２の金属層122の変形がより低減されて、金属板12の変形をさらに低減できる。

第１の金属層121の材料が銅である場合には、下部金属層121ｂに用いられる銅は、無酸素銅であることが好ましい。無酸素銅を用いると、金属板12とセラミック基体11とを接合する際に、銅の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３との濡れ性が良好となるので、金属板12とセラミック基体11との接合強度が向上する。

なお、金属板12は、銅−モリブデン−銅−モリブデン−銅の５層構造または銅−モリブデン−銅−モリブデン−銅−モリブデン−銅の７層構造であってもよい。このように金属板12が５層構造または７層構造の場合には、上部金属層121ａは金属板12の最も上方に位
置する。

金属板12をセラミック基体11に接合した後に、金属板12をエッチングによって金属板12の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のように加工する。セラミック基体11の上に接合された金属板12の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えばリン酸、酢酸、硝酸、過酸化水素水、硫酸、ふっ酸、塩化第２鉄、塩化第２銅溶液等を単体もしくは混合したエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして、金属板12の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。

なお、セラミック基体11に接合された金属板12に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属板12と外部電気回路（図示せず）との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15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、ニッケルからなるめっき層の表面酸化を抑制してろう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８質量％以上15質量％以下であると、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に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルからなるめっき層は、その厚みが1.5μｍ以上であると、金
属板12の露出した表面を被覆しやすく、金属板12の酸化腐蝕を抑制することができる。また、10μｍ以下であると、特にセラミック基体11の厚さが300μｍ未満の薄いものになっ
た場合には、めっき層の内部に内在する内在応力を低減させることができ、金属板12に生じる反り、およびそれによって生じるセラミック基体11の反りまたは割れ等を抑制することができる。

金属板12は、接合金属層等の接合材を介してセラミック基体11に接合される。接合材用のろう材ペーストは、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なる銀ろう材（例えば、銀：７２質量％−銅：２８質量％）粉末に、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２〜５質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。銀ろう材の接合温度は780℃〜900℃であり、接合温度または接合材３の硬度を低下させる目的でインジウム（Ｉｎ）またはスズ（Ｓｎ）を１〜10質量％程度添加しても良い。

このような配線基板１の上面にダイボンド材４を介して電子部品２を搭載し、電子部品２を複数のボンディングワイヤ５によって金属板12に電気的に接続して電子装置を構成するものとなる。なお、ダイボンド材４は、例えば、金属接合材または導電性樹脂からなる。このような金属接合材は、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。電子部品２は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal O
xide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子である。

本実施形態の配線基板１は、セラミック基体11と、セラミック基体11に接合されており、複数の第１の金属層121と複数の第１の金属層121の間に設けられた複数の第１の金属層121よりも熱膨張係数の小さい第２の金属層122とを有する金属板12とを有している。複数の第１の金属層121のうち、セラミック基体11に接合されていることによって拘束された
下部金属層121ｂに比べて膨張または収縮しやすい上部金属層121ａの厚みＤ121ａが下部
金属層121ｂの厚みＤ121ｂよりも小さい。このような構成とすることによって、上部金属層121ａの膨張量または収縮量と下部金属層121ｂの膨張量または収縮量との差が低減されるので、下部金属層121ｂが上部金属層121ａに引っ張られるような内部応力が低減される。したがって、上部金属層121ａの収縮または膨張に伴う金属板12の変形が低減されてセ
ラミック基体11の反りを低減し、配線基板１の反りを低減できる。

また、本実施形態の配線基板１において、上部金属層121ａの厚みＤ121ａが、第２の金属層122の厚みＤ122に対して小さくなると、上部金属層121ａの内部応力Ｆ121ａによる第２の金属層122の変形を低減できる。特に、上部金属層121ａの厚みＤ121ａが第２の金属
層122の厚みＤ122よりも小さいときには、上部金属層121ａの収縮または膨張に伴う第２
の金属層122の変形がより低減されるので、金属板12の変形がさらに低減される。

本実施形態の電子装置は、上記構成の配線基板１と、配線基板１の金属板12に搭載された電子部品２とを含んでいることから、配線基板１と電子部品２との接合強度が高く、長期信頼性に優れたものとできる。

（本発明の実施形態）
次に、本発明の実施形態による電子装置について図３を参照しつつ説明する。

本発明の実施形態における電子装置において、上記した参考例の実施形態の電子装置と異なる点は、図３に示された例のように、上部金属層121ａの厚みＤ121ａが第２の金属層122の厚みＤ122以上である点である。なお、金属板12の厚みは上記した参考例の実施形態の電子装置と同じである。本実施形態の配線基板１は、上部金属層121ａに例えば銅等の
熱伝導率の高い金属材料を用いたときに、金属板12の熱伝導率を向上できるので、配線基板１の放熱性を向上できる。

１・・・・配線基板
11・・・・セラミック基体
12・・・・金属板
121 ・・・第１の金属層
121ａ・・上部金属層
121ｂ・・下部金属層
122 ・・・第２の金属層
２・・・・電子部品
３・・・・接合材
４・・・・ダイボンド材
５・・・・ボンディングワイヤ

Claims

セラミック基体と、
該セラミック基体に接合されており、複数の第１の金属層と該複数の第１の金属層の間に設けられた前記複数の第１の金属層よりも熱膨張係数の小さい第２の金属層とを有する金属板とを備えており、
前記複数の第１の金属層のうち上部金属層の厚みが下部金属層の厚みよりも小さく、かつ前記第２の金属層の厚み以上であることを特徴とする配線基板。
請求項１記載の配線基板と、該配線基板の前記金属板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。