电路基板及电子装置的制作方法

日期:2019-05-16 04:56:37


本发明涉及电路基板及使用了该电路基板的电子装置。



背景技术:

一直以来,作为被用于搭载了例如功率模块或开关切换模块等的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)等电子部件的电子装置的电路基板能采用以下的构造。即,能采用在绝缘基板的一个主面接合形成为电路图案状的铜制的金属电路板而另一主面接合了用于使从被搭载于金属电路板的电子部件产生的热散热的铜制的散热板的电路基板(例如,参照专利文献1)。

一般而言,在上述那样的电路基板中,散热板的厚度被设定成与金属电路板的厚度大体相同、或比金属电路板薄一些。这是因为:使绝缘基板的一个主面侧与另一主面侧产生的应力为同等程度来抑制翘曲的缘故。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:JP特开平8-139420号公报



技术实现要素:

-发明所要解决的技术问题-

在上述那样的电路基板中,为了更有效地使从被搭载于金属电路板的电子部件产生的热散热,要求将金属电路板及散热板的厚度增厚。例如,要求将散热板与电路基板的合计厚度进一步增厚。然而,若将金属电路板及散热板的厚度增厚,则变得易于在绝缘基板的表面部施加更大的拉伸应力。因而,在将金属电路板及散热板与绝缘基板接合时的加热后的冷却过程中、或者因使用了电路基板的电子装置的动作所引起的发热导致的温度变化,存在绝缘基板会发生断裂的问题。

-用于解决技术问题的手段-

本发明的一种形态的电路基板,具有:绝缘基板;被接合在所述绝缘基板的一个主面的金属电路板;以及被接合在所述绝缘基板的与所述一个主面相反侧的主面的金属制的散热板,所述散热板的厚度为所述金属电路板的厚度的3.75倍以上,所述散热板所含有的金属粒子的粒径小于所述金属电路板所含有的金属粒子的粒径,距所述绝缘基板的所述相反侧的主面的距离越大,则所述散热板所含有的金属粒子的粒径越小。

本发明的一种形态的电子装置包含:上述的电路基板;和被搭载在该电路基板的所述金属电路板的电子部件。

-发明效果-

根据本发明的一种形态的电路基板,将被接合到绝缘基板的一个主面的金属电路板的厚度削薄。由此,针对被接合到绝缘基板的另一主面的金属制的散热板的相对于温度的伸缩引起的电路基板的变形,金属电路板以较小的载荷追踪塑性变形。因而,能够抑制施加于绝缘基板的应力。再有,通过将散热板的厚度增厚,从而散热板的刚性升高。

还有,散热板所含有的金属粒子的粒径小于金属电路板所含有的金属粒子的粒径。因而,屈服应力比金属电路板大,能够抑制作为散热板的变形并提高刚性。再者,金属电路板所含有的金属粒子的粒径大于散热板所含有的金属粒子的粒径。因而,金属电路板的屈服应力小,以较小的载荷追踪电路基板的变形,因此能够进一步抑制施加于绝缘基板的应力。再有,在距绝缘基板的上述相反侧的主面的距离大的区域内,金属粒子的粒径相对较小。由此,屈服应力进一步增大,能够提高刚性。另外,在距相反侧的主面的距离小的区域内金属粒子的粒径相对较大。因而,屈服应力相对较小,因绝缘基板与散热板的热膨胀失配而产生的应力得以缓和。因此,能够抑制电路基板的变形。

根据本发明的一种形态的电子装置,因为具有上述电路基板,所以能够有效地将从电子部件产生的热散热,并且能够实现可靠性高的装置。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式涉及的电子装置的俯视图。

图2是图1所示的X-X线中的电子装置的剖视图。

图3是表示本发明的第2实施方式涉及的电路基板的剖视图。

图4是表示本发明的第2实施方式涉及的电子装置的剖视图。

图5是表示本发明的第2实施方式涉及的电路基板及电子装置的俯视图。

图6(a)是表示图5所示的电路基板及电子装置的第1变形例的俯视图,(b)是(a)的A-A线处的剖视图。

图7(a)是表示图5所示的电路基板及电子装置的第2变形例的俯视图,(b)是(a)的B-B线处的剖视图。

图8是表示热模拟所采用的模型的外观的立体图。

图9是图3所示的模型的剖视图。

具体实施方式

参照图1及图2来说明本发明的一实施方式中的电路基板1。电路基板1具备绝缘基板2、金属电路板3和散热板4。再有,在图1及图2所示的例子中,电子装置10具备电路基板1和电子部件5。另外,关于散热板4,由于如后述那样是厚的,故将下部省略而加以表示。

绝缘基板2由电绝缘材料组成,例如由氧化铝质陶瓷、莫来石质陶瓷、碳化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或氮化硅质陶瓷等的陶瓷组成。这些陶瓷材料之中,在影响到散热性的热传导性的方面,优选碳化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或氮化硅质陶瓷。再有,这些陶瓷材料之中,在强度的方面优选氮化硅质陶瓷或碳化硅质陶瓷。

在绝缘基板2由如氮化硅质陶瓷这种强度比较高的陶瓷材料组成的情况下,即便使用了厚度更大的金属电路板3,也能降低绝缘基板2产生裂缝的可能性。因此,该情况下能够实现在谋求小型化的同时能够流通更大的电流的电路基板。

对于绝缘基板2的厚度而言,薄的绝缘基板在热传导性的方面为佳。绝缘基板2的厚度例如约为0.1mm~1mm,只要根据电路基板1的大小或采用的材料的导热率或强度进行选择即可。绝缘基板2的大小在俯视下例如纵为30~50mm程度、横为40~60mm程度。

绝缘基板2例如在由氮化硅质陶瓷组成的情况下,能够如下地进行制作。首先,对在氮化硅、氧化铝、氧化镁及氧化钇等的原料粉末中添加混合了合适的有机粘合剂、增塑剂及溶剂而得的泥浆物采用以往公知的刮刀涂布法或压延辊法,由此形成陶瓷生片(陶瓷greensheet)。接着,对该陶瓷生片实施合适的冲压加工等而形成为给定形状,并且根据需要层叠多枚,由此形成为成型体。然后,在氮气体环境等非氧化性气体环境下以1600~2000℃的温度对该成型体进行烧成。通过以上的工序,能制作绝缘基板2。

金属电路板3被接合于绝缘基板2的一个主面即上表面。散热板4被接合于绝缘基板2的相反侧的主面即下表面。以下,有时将一个主面简称为上表面,有时将相反侧的主面简称为下表面。

金属电路板3及散热板4,例如通过模具冲压加工等给定的金属加工将铜的基板(未图示)成型后通过钎焊等被粘贴到绝缘基板2。

金属电路板3及散热板4通过钎焊而形成于绝缘基板2。被用于钎焊的钎料(图1及图2中未图示),例如作为主成分而铜及银,且还含有钛等。关于该钎料的详细将后述。

电路基板1中,散热板4的厚度为金属电路板3的厚度的3.75倍以上。金属电路板3的厚度比较薄,因此对于被接合在绝缘基板2的下表面的散热板4的相对于温度的伸缩导致的电路基板1的变形而言,金属电路板3以较小的载荷追踪塑性变形。因此,能够抑制施加于绝缘基板2的应力。再有,散热板4的厚度比较厚,因此散热板的刚性升高。

再有,金属电路板3及散热板4含有铜粒子等的金属粒子。关于该金属粒子的粒径,散热板4所含有的金属粒子的粒径要比金属电路板3所含有的金属粒子的粒径小。换言之,金属电路板3所含有的金属粒子的粒径大于散热板4所含有的金属粒子的粒径。

因为散热板4所含有的金属粒子的粒径比金属电路板3所含有的金属粒子的粒径小,所以散热板4的屈服应力大于金属电路板3的屈服应力。因而,能够提高作为散热板4的刚性并抑制变形。再有,由于金属电路板3所含有的金属粒子的粒径大于散热板4所含有的金属粒子的粒径,故金属电路板3的屈服应力小。因而,以小的载荷追踪电路基板1的变形。因此,能够进一步抑制施加于绝缘基板的应力。

由于散热板4所含有的金属粒子的粒径更小,故散热板4的屈服应力大于金属电路板3的屈服应力。因而,能够抑制作为散热板4的变形并提高其刚性。再有,由于金属电路板3所含有的金属粒子的粒径大于散热板4所含有的金属粒子的粒径,故金属电路板3的屈服应力小。因而,金属电路板3以小的载荷追踪电路基板1的变形,由此能够进一步抑制施加于绝缘基板2的应力。

还有,距绝缘基板2的下表面(相反侧的主面)的距离越大,则散热板4所含有的金属粒子的粒径越小。换言之,距绝缘基板2的下表面(相反侧的主面)的距离越小,则散热板4所含有的金属粒子的粒径越大。

关于上述的各粒径,具体的一例例如如下所述。即,金属电路板3所含有的金属粒子的粒径例如约为110~130μm程度。

再者,散热板4所含有的金属粒子的粒径例如约为40~100μm程度,比金属电路板3所含有的金属粒子的粒径还小。该情况下,散热板4所含有的金属粒子的粒径在绝缘基板2的下表面侧的表面(上表面)附近约为90~100μm程度,在相反侧的表面(下表面)附近约为40~50μm程度。

这些金属粒子的粒径能够通过例如利用基于金属显微镜的剖面观察测定金属粒子的粒径来检测。该情况下的粒径,一般是通过被称为切片法的方法而计算出的。在切片法中,在样本剖面上描画直线,对该直线横切的金属粒子的数量进行计数。而且,将直线的长度除以所计数的金属粒子数而得的长度设为粒径。即,该情况下的粒径是表示直线横切的金属粒子的平均性大小的量。

在距绝缘基板2的下表面的距离大的区域内,散热板4所含有的金属粒子的粒径相对较小,因此屈服应力变得更大,能够提高散热板4的刚性。再有,在距下表面的距离小的区域内,金属粒子的粒径相对较大,因此屈服应力相对较小。由此,缓和因绝缘基板2与散热板4的热膨胀失配而产生的应力。因而,能够抑制电路基板1的变形。

因此,因为电路基板1的变形得以抑制,所以能够抑制向绝缘基板2的变形引起的应力,能够提供确保所期望的散热性、同时对可靠性来说也是有利的电路基板1。

另外,为了使散热板4所含有的铜粒子等金属粒子的粒径比金属电路板3所含有的铜粒子等金属粒子的粒径小,例如只要如下地操作即可。即,只要预先在真空中或者氮气中对金属电路板3进行退火,以使金属粒子重新结晶生长,增大金属电路板3的金属粒子粒径即可。

在将金属电路板3与散热板4接合于绝缘基板2之际,在各自的接合面附近,在金属电路板3与散热板4会形成与钎料的合金(例如铜-银),但合金部分与金属(金属电路板3及散热板4各自的主体部分)相比其熔点有所下降。因而,进行接合之际合金部分自低的温度起开始进行粒生长,合金部分、也就是说接合面附近的金属粒子的粒径变大。

此外,在未对金属电路板3实施退火等的事先加工而与散热板4同时地进行接合的情况下,与绝缘基板2的接合面附近的金属粒径在金属电路板3与散热板4中是同等的。但是,由于散热板4比金属电路板3厚,故散热板4较多地存在金属粒子的粒径小的区域,对于金属粒子的平均粒径而言,与金属电路板3相比散热板4的平均粒径会变小。因此,如上述,散热板4的刚性升高,能够抑制绝缘基板2的变形导致的应力。

再有,为了使得距绝缘基板2的主面(另一主面)的距离越大(实施方式的例子中越靠近下侧)则散热板4所含有的铜粒子等的金属粒子的粒径越小,例如只要如下地操作即可。即,在将散热板4接合于绝缘基板2之际,只要使用成分相对于形成散热板4的金属(金属粒子)的扩散性高的钎料,并使钎料与金属的合金部分在厚度方向较宽地(较厚地)形成即可。由于距绝缘基板2的主面(另一主面)的距离越大则钎料成分的扩散量就越减少,故金属的粒生长钝化,能够使金属粒径相对于厚度方向逐渐地减小。进而,由于上述的合金部分在厚度方向较宽地形成,故能够在整个宽范围内使金属粒子的粒径变化。

如图1、图2所示,经由接合材料6在一个金属电路板3的上表面安装电子部件5。该电子部件5通过未图示的导电性连接材料(接合引线)而被连接于另一金属电路板3。这样,在图1、图2所示的例子中,金属电路板3形成为电路图案状,作为电路导体起作用。再有,散热板4具有使从被搭载在金属电路板3的电子部件5产生的热散热的功能。

再有,金属电路板3未限于电路导体,也能够用作为搭载于电路基板1的电子部件5的安装用的金属构件、接地导体用的金属构件或散热板等。还有,这样金属电路板3例如作为用于通电数百A程度的较大的电流的导电路径、或散热材料,能接合于由陶瓷等组成的绝缘基板2来使用。

电子部件5例如是晶体管、CPU(Central Processing Unit)用的LSI(Large Scale Integrated circuit,大规模集成电路)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、或MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)等的半导体元件。

接合材料6例如由金属或导电性树脂等组成。接合材料6例如是焊料、金-锡(Au-Sn)合金、或锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金等。

另外,也可以通过镀覆法在金属电路板3的表面形成镀膜。根据该构成,由于与接合材料6的浸润性良好,故能够将电子部件5牢固地接合于金属电路板3的表面。镀膜只要使用导电性及耐蚀性高的金属即可,例如列举镍、钴、铜、或者金、或以这些金属材料为主成分的合金材料。镀膜的厚度例如只要为1.5~10μm即可。

再有,作为镀膜的材料而采用了镍的情况下,例如优选为镍内部含有8~15质量%程度的磷的镍-磷的无定形合金的镀膜。该情况下,能够抑制镍镀膜的表面氧化并长期地维持电子部件5的与接合材料6等的浸润性。再者,若磷相对于镍的含量为8~15质量%程度,则易于形成镍-磷的无定形合金。由此,能够提高接合材料6等相对于镀膜的粘接强度。

(第2实施方式)

图3是表示本发明的第2实施方式中的电路基板1的剖视图。第2实施方式中,电路基板1具备绝缘基板2、金属电路板3、散热板4、第1钎料11及第2钎料12。再有,图4是表示本发明的第2实施方式中的电子装置10的剖视图。图4所示的例子中,电子装置10具备电路基板1及电子部件5。

第2实施方式的电路基板1中,金属电路板3通过第1钎料11而被接合于绝缘基板2的上表面。散热板4通过第2钎料12而被接合于绝缘基板2的下表面。再有,至少第1钎料11的外周部中的热膨胀系数大于第2钎料12的热膨胀系数。根据该构成,能提高第1实施方式的电路基板1及电子装置10中的效果(绝缘基板2的断裂的抑制等)。第2实施方式中,关于第1钎料11及第2钎料12以外的方面,与第1实施方式同样。关于这些与第1实施方式同样的方面,省略说明。

将金属电路板3与绝缘基板2接合的第1钎料11,至少其外周部中的热膨胀系数大于将散热板4与绝缘基板2接合的第2钎料12的热膨胀系数。因而,产生使电路基板1的外周部翘曲的力。该力和因散热板4与热膨胀系数比散热板4更小的绝缘基板2的热膨胀系数的差而产生的热应力呈相反方向。因而,这些力相互地抵消,有效地降低电路基板1整体产生翘曲的可能性。

因此,能够更有效地抑制电路基板1整体的翘曲所引起的绝缘基板2的裂缝等机械性的破坏。即,能够提供绝缘基板2的裂缝等得以抑制的、能够制作长期可靠性高的电子装置10的电路基板1。

此外,第1钎料11的外周部,是至少位于比金属电路板3的外周更靠外侧的位置的部分(从上观察时能看到而未被金属电路板3遮挡的部分)。其中,该外周部即便包含比金属电路板3的外周稍微位于内侧的部分也是可以的。

如果具体地列举一例,则如下。在实施方式的电路基板1搭载电子部件5,在产生了电子部件5的工作引起的热时(升温时),第1钎料11的外周部中产生使电路基板1的外周部向下方向翘曲的力。与此相对,因散热板4与绝缘基板2的热膨胀系数的差而产生使电路基板1的外周部向上方向翘曲的热应力。即,在电路基板1(绝缘基板2)的上表面侧与下表面侧产生相反方向的力。因而,这些力相互地抵消,有效地降低电路基板1整体产生翘曲的可能性。

再有,在自电子部件5的工作起伴随于停止的散热时(降温时),在电路基板1(绝缘基板2)的上表面侧与下表面侧也会反向地产生力,从而相互地抵消。

还有,未限于电子部件5的工作及停止,在散热板4与绝缘基板2的接合时(钎焊时)等的加热及散热这类的热变化产生时,也同样地能够抵消力。因此,有效地抑制电路基板1整体的翘曲所引起的绝缘基板2的裂缝等机械性的破坏。

上述实施方式的电路基板1及电子装置10中,第1钎料11及第2钎料12例如具有以下的成分。即,作为主成分含有铜及银的至少一方,,还含有作为用于接合的活性金属的钼、钛及锆、铪及铌之中的至少1种金属材料,以作为添加材料。对于这些金属材料而言,如果考虑到作为活性金属的有效性、钎焊的操作性及经济性(成本)等,那么钼、钛及锆特别适用于作为上述用途的活性金属。

再有,第1钎料11至少在外周部中钼、钛及锆等添加材料的含有率小于第2钎料12。换言之,对于第1钎料11的至少外周部而言,与第2钎料12相比,其主成分(铜及银的至少一方)的含有率更大。由此,第1钎料11的至少其外周部中的热膨胀系数要比第2钎料12更大。此外,各金属的热膨胀系数,作为20℃(约293K)下的线膨胀系数,铜为16.5×10-61/K、银为18.9×10-61/K、钼为3.7×10-61/K、钛为8.6×10-61/K、锆为5.4×10-61/K(理科年表、平成23年、第84版)。

第11钎料5的外周部中的组成,例如如下所述。即,铜为15~80质量%、银为15~65质量%、钛为1~20质量%、钼为0~5质量%程度。第2钎料12的组成例如如下所述。即,铜为15~75质量%、银为15~65质量%、钛为1~20质量%、钼为0~5质量%程度。

作为更具体的一例,列举如下。即,关于第1钎料11的外周部中的组成,可列举铜为80质量%、银为19.3质量%、钛为0.5质量%、钼为0.2%质量。再有,在第1钎料11的外周部的组成为该值时,关于第2钎料12的组成,可列举铜为70质量%、银为25.5质量%、钛为4质量%、钼为0.5质量%。

另外,第1钎料11的外周部以外的部分中的组成,例如既可以与外周部相同,也可以与第2钎料12相同。

第1钎料11之中比外周部更靠内侧的中央部(例如位于金属电路板3的下侧的部分)中的组成,既可以与外周部相同,也可以与第2钎料12相同。

关于第1钎料11,为了使其外周部中的钼、钛及锆等添加材料的含有率小于第2钎料12,例如使这些添加材料溶解于氯化第2铁(氯化铁(III)、FeCl3)的水溶液中,只要降低外周部中的含有率即可。

再有,也可以将添加材料的含有率比第2钎料12小的材料用作为第1钎料11。该情况下,在第1钎料11的整体中,与第2钎料12相比,热膨胀系数变大。

图3及图4所示的电路基板1及电子装置10中,第1钎料11的外周部的一部分位于比金属电路板3的外周更靠外侧的位置。也就是说,第1钎料11例如如图5所示,其外周部的至少一部分也可以位于比金属电路板3的外周更靠外侧的位置。换言之,第1钎料11的一部分也可以渗出到比金属电路板3与绝缘基板2之间更靠外侧的位置。另外,图5是表示本发明的第2实施方式涉及的电路基板1及电子装置10的俯视图。图5中,对与图3及图4同样的部位赋予同样的符号。

图3~图5所示的例子的电路基板1及电子装置10中,从上观察时(俯视透视中)第1钎料11的外周位置与第2钎料12的外周位置几乎相同。再有,金属电路板3的外周位置与散热板4的外周位置几乎相同。因而,在图5中,散热板4及第2钎料12的外周位置和金属电路板3及第1钎料11的外周位置重叠,不能看到。

这样,在第1钎料11的外周部的至少一部分位于比金属电路板3的外周更靠外侧的位置的情况下,到金属电路板3的外侧为止、也就是说更接近于电路基板1整体的外周的位置为止,存在热膨胀系数比较大的第1钎料11。因而,电路基板1的更接近于外周的位置处,得到使电路基板1朝与散热板4造成的翘曲相反的方向翘曲的力。由此,在电路基板1(绝缘基板2)的上表面侧,能够更有效地使将电路基板1(绝缘基板2)的下表面侧的力抵消的力产生。因此,能更有效地抑制电路基板1整体的翘曲。

图3及图4所示的电路基板1及电子装置10中,俯视透视下,第1钎料11的外周位于比散热板4的外周更靠外侧的位置。该情况下,也能够获得与第1钎料11的外周部的至少一部分位于比金属电路板3的外周更靠外侧的位置的情况同样的效果。

图6(a)是表示图5所示的电路基板1及电子装置10的第1变形例的俯视图,图6(b)是图6(a)的A-A线处的剖视图。图6中,对与图5同样的部位赋予同样的符号。再有,在图6(b)中,将电子部件5分为电路基板1而进行表示。电子部件5沿箭头的方向被搭载于电路基板1,由此制作电子装置10。

图6所示的例子中,俯视透视下,散热板4的外周位置位于比第1钎料11的外周更靠外侧的位置。这种情况下,在增大散热板4的刚性、并降低电路基板1整体翘曲的可能性上是有效的。再有,这种情况下,在增大散热板4的已露出的表面的面积(与外部空气相接触的表面积)、并使散热性提高上也是有效的。

关于第2实施方式的电路基板1及电子装置10,还能够实施各种各样的变形。例如如图7所示的例子那样,也可以是具有多个金属电路板3的电路基板1。图7(a)是表示图5所示的电路基板1及电子装置10的第2变形例的俯视图,图7(b)是图7(a)的B-B线处的剖视图。图7中,对与图5同样的部位赋予同样的符号。

多个金属电路板3,例如包含电子部件5的安装(接合搭载)用的金属电路板、与电子部件5电连接的连接电路用的金属电路板。电子部件5与连接电路用的金属电路板3经由接合引线等导电性连接材料13而被相互地电连接。连接导体用的金属电路板3也可以进一步被分为多个。

该情况下的第1钎料11的外周部是将多个金属电路板3分别接合于绝缘基板2的第1钎料11各自的外周部。其中,该情况下将多个金属电路板3与绝缘基板2分别接合的第1钎料11的外周部之中,仅在至少接近于绝缘基板2的上表面的外周的部分(比以双点划线表示的假想线更靠外侧的部分)中,如果热膨胀系数大于第2钎料12,那么能够有效地获得前述的应力抵消的效果。

再有,第1钎料11也可以在其整体中具有比第2钎料12高的热膨胀系数。该情况下,也能够有效地获得前述的应力抵消的效果。

(热模拟的一例)

将作为电子部件5的芯片搭载于具有上述构成的电路基板1的金属电路板3上,并将其安装于散热器,使金属电路板3及散热板4的厚度变化为各种值而对使芯片以给定的芯片发热量发热时的芯片温度Tj进行热模拟,由此调查了金属电路板3及散热板4的厚度对散热性的影响。图8是表示热模拟所采用的模型的外观的立体图,图9是图8所示的模型的剖视图。

另外,在图8及图9中虽然并未图示,但与第2实施方式同样地,金属电路板3与绝缘基板2经由第1钎料而接合,散热板4与绝缘基板2经由第2钎料而接合。该例子中,设第1钎料8的位于比金属电路板3更靠外侧的位置的部分中的热膨胀系数为16.9×10-61/K,比其更靠内侧的中央部(位于金属电路板3的下侧的部分)中的热膨胀系数为16.7×10-61/K。再有,设第2钎料9的热膨胀系数为16.7×10-61/K。

针对各构件设定为下述的表1所表示的条件而进行了热模拟。还有,作为上述给定的芯片发热量,在将金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2分别设为1.8mm(相当于市场要求的尺寸)时,通过调整为芯片温度Tj变成175℃这样的发热量后并固定而进行的。

[表1]

另外,如表1所示,安装芯片5的金属电路板3由于进行集成化而无法比芯片5更大,故设定为比芯片5单侧仅大2mm的尺寸。再有,在安装芯片5的金属电路板3的周边,如图1及图2所示,虽然配设其他金属电路板3,但其他金属电路板3对芯片5的散热性基本上没有影响,故忽视。进而,由于金属电路板3与绝缘基板2之间的钎料、及绝缘基板2与散热板4之间的钎料薄,对散热性的影响小,故忽视。

表2是对关于实施方式的电路基板1的可靠性试验的结果进行了总结的表。关于散热性,在将金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2分别设为1.8mm时将芯片发热量设定成Tj为175℃的情况下,将得到芯片温度Tj为175℃以下的结果的样本设为极优(◎),将得到Tj为205℃以下且超过175℃的温度的结果的样本设为良(○),将得到超过205℃的温度的结果的样本设为不良(×)。此外,上述良(○)的判定是金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2均为0.8mm时的Tj。

再有,关于可靠性,将得到绝缘基板2的破坏产生前的循环数为700循环以上的结果的样本设为极优(◎),将500循环以上且少于700循环的样本设为良(○),将300循环以上且少于500循环的样本设为可(△),将与现有技术相同的程度的可靠性即少于300循环且产生不良的样本设为不良(×)。此处的现有技术,是指现有技术之中散热性良好的、金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2分别为0.8mm的样本。

关于可靠性,以表2的各条件来制作样本,针对这些样本进行基于温度循环的可靠性试验并进行了评价。各个样本是在25mm×25mm×0.32mm的平板状(薄的长方体状)的由氮化硅质烧结体组成的绝缘基板2的一个主面接合18mm×18mm×t1的铜制的金属电路板3而在另一个主面接合18mm×18mm×t2的铜制的散热板4的构成。金属电路板3及散热板4与绝缘基板的各自的接合是通过使用了将钛成分混合到银、铜中的钎料的活性金属接合而进行的。

此外,关于各样本,金属电路板3的金属粒子的粒径设定为110~130μm,散热板4的金属粒子的粒径设定为:在绝缘基板1的下表面侧为90~100μm、在与其相反侧为40~50μm。

可靠性试验考虑作为芯片而搭载了近年能采用的IGBT芯片时的可靠性,对应于芯片的高温动作化,将温度条件设为低温侧-40℃、高温侧175℃。按温度循环每100循环取出样本,使用实体显微镜进行观察,将并未识别出金属电路板3及散热板4自绝缘基板2的剥落、及绝缘基板2的断裂的样本设为合格(如上述◎、○或△)。

进而,在表2中,关于金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2的各组合,一并表示在电路基板1的制造成本方面进行了评价的结果,并且一并表示考虑散热性·可靠性·成本这3个项目后综合判定出的结果。成本设为散热板4的构件成本。散热板4的厚度t2为5mm以下设为极优(◎),金属电路板3的厚度t1为1mm以上且用于形成电路的蚀刻极端地花费时间的样本设为可(△)。作为综合判定,采用了散热性、可靠性及成本这3个项目之中评价最差的结果。

还有,关于表2,可靠性的判定为×的样本,综合判定也为×。其中,该综合判定的结果也考虑了作为实用上的电路基板1的各种各样的条件。因而,包含与可靠性的判定的结果(例如◎或○)相比综合判定的结果低(例如○或△)的样本。换言之,综合判定为◎的样本能够视为可靠性有效地提高、并且对于实用性而言更适于的电路基板1。

[表2]

如果基于表2所示出的散热性·可靠性的各项目,那么通过将散热板4的厚度t2设定为金属电路板3的厚度t1的3.75倍以上,从而能够确保所期望的散热性、同时提高可靠性。

再有,将被接合在绝缘基板2的上表面的金属电路板3的厚度t1设为0.8mm以下、将被接合在绝缘基板2的下表面的金属制的散热板4的厚度t2设为3mm以上,且设定金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2,以使得金属电路板3的厚度t1与散热板4的厚度t2之和为3.4mm以上,由此能够降低成本、同时进一步提高散热性。还有,金属电路板3的厚度t1为0.8mm以下、散热板4的厚度t2为3mm以上、t1与t2之和为3.4mm以上的样本,对于可靠性而言均为◎或○,变为良好的结果。也就是说,对于进一步提高可靠性而言也是有效的。

关于可靠性的提高,能够说明如下。即,若将被接合到绝缘基板2的上表面的金属电路板3的厚度削薄,则针对被接合到绝缘基板2的下表面的散热板4的相对于温度的伸缩,金属电路板3以较小的载荷追踪塑性变形,因此能够抑制施加于绝缘基板2的应力。再有,通过将散热板4的厚度增厚,从而散热板4的刚性升高,能够抑制电路基板1的变形。

若在电路基板1产生变形,则金属电路板3及散热板4引起的应力、和绝缘基板2的变形引起的应力被叠加于绝缘基板2,因此其可靠性会下降,但如上述,若将散热板4的厚度增厚,则散热板4的刚性升高,电路基板1的变形得以抑制,因此能够抑制向绝缘基板2的变形引起的应力。因此,能够提高电路基板1的可靠性。

再有,若金属电路板3及散热板4使用铜,则由于铜的高热传导性,对作为电路基板1的散热性提高是有利的。

进而,作为绝缘基板2的材料,若使用氮化硅质陶瓷,则由于氮化硅质陶瓷的高强度、高靭性特性,对作为电路基板1的可靠性提高是有利的。

还有,在构成电子装置10的情况下,通过使用金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2满足上述条件的电路基板1,从而能够有效地使从电子部件5产生的热散热,并且能够实现可靠性高的装置。

另外,关于金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2,除了上述条件以外,还优选将散热板4的厚度t2设为5mm以下。由此,如表2所示,能够实现具有高散热性及高可靠性、并且在制造成本方面有利的电路基板1。

关于金属电路板3及散热板4的厚度t1、t2,除了上述条件以外,还优选将金属电路板3的厚度t1设为0.4mm以上。由此,如表2所示,能够实现具有高散热性及高可靠性、并且能大可靠地对应电流的电路基板1。

-符号说明-

1 电路基板

2 绝缘基板

3 金属电路板

4 散热板

5 电子部件

6 接合材料

7 接合材料

8 散热器

10 电子装置

11 第1钎料

12 第2钎料

13 导电性连接材料



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