(57)【要約】【課題】電気素子と回路基板との接合信頼性に優れた複合基板を提供する。【解決手段】回路基板３と電気素子１との間に、前記回路基板３と前記電気素子１との当接面が互いに略平行な介挿材７を介挿するとともに、前記回路基板３、前記電気素子１および前記介挿材７を接合材５によって接合してなり、前記介挿材７の融点が前記接合材５よりも高く、前記接合材５の熱膨張係数が前記回路基板３、前記電気素子１の少なくとも一方よりも大きく、且つ前記介挿材７の熱膨張係数が前記接合材５よりも小さいことを特徴とする。【選択図】図１
2005050886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と前記電気素子との間に、前記回路基板と前記電気素子との当接面が互いに略平行な介挿材を介挿するとともに、前記回路基板、前記電気素子および前記介挿材を接合材によって接合してなり、前記介挿材の融点が前記接合材よりも高く、前記接合材の熱膨張係数が前記回路基板、前記電気素子の少なくとも一方よりも大きく、且つ前記介挿材の熱膨張係数が前記接合材よりも小さいことを特徴とする複合基板。
【請求項２】
介挿材の剛性が接合材より高いことを特徴とする請求項１記載の複合基板。
【請求項３】
接合材の厚みが、５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合基板。
【請求項４】
介挿材が回路基板と電気素子方向に貫通孔を有するリング体からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の複合基板。
【請求項５】
接合材がＳｎ、Ｐｂ、のうち少なくとも１つを主成分とする半田、Ｉｎを主成分とする低融点金属及びＡｇ、Ｃｕ、Ａｌのフィラーを混合した熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の複合基板。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか記載の複合基板を製造するための方法であって、回路基板と電気素子との間に接合材と介挿材を配置し、前記接合材の融点を越える温度で加熱して、前記回路基板、前記電気素子および前記介挿材とを接合することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板に電気素子を接合して成る複合基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、回路基板は、絶縁層に金属を主成分とする導電体とで構成される。絶縁層がセラミックの場合、セラミックからなるグリーンシートにＷ、Ｍｏ、Ｃｕ，Ａｇを主成分とするペーストを塗布し、還元雰囲気中でセラミックが焼結する温度の熱処理により回路基板が形成される。また、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の大電流を許容する電極や放熱性が必要な場合、ＣｕやＡｌからなる金属板をろう材により接合して電極を形成する。）次に、絶縁層が有機の場合、エッチング等により電極形状に加工したＣｕ泊を転写したり、めっきやＣＶＤ法で電極を形成する。なお、前記メタライズ金属層及び金属回路の露出表面には酸化腐蝕を有効に防止するとともに回路基板に電気素子を半田等の接着材を介して強固に接続させるために、ニッケル等の耐蝕性に優れ、かつ半田等の接着材に対し濡れ性が良い金属がメッキ法等の技術を用いることによって所定厚みに被着されている。
【０００３】
これら回路基板と電気素子の接合材は、半田やＩｎ等の低融点金属を使用する。例えば、ペースト状ならスクリーン印刷法等により、所定の厚みに形成し、箔状の場合、所定の形状に加工し、接合部位に配置する。この上に電気素子を当接させ、これを所定温度に加熱し、溶融させ、回路基板と電気素子とを接合させるものである（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５６４１２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開１９９８−０９５６８６号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開１９９６−２３１２８８号公報
【０００７】
【特許文献４】
特開２００２−０５７４２０号公報
【０００８】
【特許文献５】
特開２０００−１２４５７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従来の回路基板と電気素子とを接合させた複合基板においては、半田等の接合材を介して回路基板上面に電気素子を接合させる際、半田が回路基板の表面に大きく溶け広がって厚みが３０μｍ未満の薄いものとなり、ボイド等の欠陥が接合材内部に存在すると、回路基板面と電気素子面に貫通する確率が高くなり、その結果、接触面積が減るため回路基板に電気素子を強固に被着させるのが困難である。さらに、回路基板と電気素子に熱が作用した場合、回路基板と電気素子との熱膨張係数の相違（例えば、銅：１７ｐｐｍ／℃、シリコン素子：４ｐｐｍ／℃、半田：２３ｐｐｍ／℃）に起因する大きな熱応力が発生し、前記熱応力によって半田部にクラックは発生し、電気素子が回路基板より剥離してしまうという欠点を有していた。
【００１０】
また、接着材としての半田の厚みを予め厚くしておき、回路基板と電気素子との間に介在する半田の量を適量として回路基板に対する電気素子の接合強度を強いものとすることが考えられる。
【００１１】
しかしながら、接着材としての半田の厚みを厚くしておくと半田を溶融させて電気素子を回路基板に接合する際、熔けた半田が回路基板上からセラミック基板上に流れ出て隣接する回路基板間を短絡させたり、電気素子と回路基板との間に熱伝導率の低い半田からなる接着材が厚く介在し、電気素子の作動時に発生する熱を回路基板及びセラミック基板に効率良く伝達させることができず、電気素子を高温とし電気素子に熱破壊や特性に熱劣化を招来させてしまうという欠点を有していた。
【００１２】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は回路基板に電気素子を簡易に強固に接合させるとともに回路基板に接合された電気素子を常に適温とし電気素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる複合基板を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の複合基板は、回路基板と前記電気素子との間に、前記回路基板と前記電気素子との当接面が互いに略平行な介挿材を介挿するとともに、前記回路基板、前記電気素子および前記介挿材を接合材によって接合してなり、前記介挿材の融点が前記接合材よりも高く、前記接合材の熱膨張係数が前記回路基板、前記電気素子の少なくとも一方よりも大きく、且つ前記介挿材の熱膨張係数が前記接合材よりも小さいことを特徴とする。介挿材の熱膨張係数が接合材より小さいため、介挿材により接合材の熱膨張による動きを抑制することができ、介挿材と接合材の複合体の熱膨張係数が、電気素子あるいは回路基板の熱膨張係数に近づくため、熱膨張差で発生する接合材のクラックや剥離を低減することができる。また、介挿材の回路基板側面と電気素子側面が略平行であるため、電気素子の傾きを防ぐことができ、接合材の厚みを均一にすることができる。
【００１４】
また、本発明の複合基板は、介挿材の剛性が接合材より高いことが望ましい。このように、接合材よりも高い剛性の介挿材を用いることで、より効果的に接合材の熱による寸法の変化を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の複合基板は、接合材の厚みが５０〜２００μｍであることが望ましい。回路基板と電気素子を強固に接続するためには接合材の厚みを５０μｍ以上とすることが望ましく、また、接合材の厚みを２００μｍ以下にすることで放熱性を確保することができる。
【００１６】
また、本発明の複合基板は、介挿材が回路基板と電気素子方向に貫通孔を有するリング体からなることが望ましい。介挿材に設けられた貫通孔により接合材を囲う形になり、接合材の熱膨張による寸法の変化の抑制効果がさらに向上する。
【００１７】
また、本発明の複合基板は接合材が、Ｓｎ、Ｐｂ、のうち少なくとも１つを主成分とする半田、Ｉｎを主成分とする低融点金属及びＡｇ、Ｃｕ、Ａｌのフィラーを混合した硬化性樹脂であることが望ましい。本発明に用いられる接合材は、電気素子を破壊しない温度で接合でき、且つ導電性、熱伝導性に優れたものであればいずれでも良いが、コストの点では半田が好適であり、導電性、熱伝導性の点ではＩｎであり、環境を配慮した場合、Ｐｂフリー半田や硬化性樹脂が好適である。
【００１８】
また、本発明の複合基板の製造方法は、以上説明した複合基板を製造するための方法であって、回路基板と電気素子との間に接合材と介挿材を配置し、前記接合材の融点を越える温度で加熱して、前記回路基板、前記電気素子および前記介挿材とを接合することを特徴とする。このような製造方法では、接合時に接合材が溶融しても、介挿材が配置してあるため、電気素子の傾きや位置ずれを防ぐことができ、接合材の厚みを均一にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の複合基板は図１、２、３に示すように、電気素子１と回路基板３とが接合材５と介挿材７を介して接合され、介挿材７は、電気素子側面Ａと、回路基板側面Ｂとが略平行になるように配置されて構成される。
【００２０】
このとき、介挿材７と電気素子１及び回路基板３との接触点（接合材７を介する場合もある）は、それぞれ３点以上必要で、且つ、その接触点が少なくとも三角形以上の多角形を形成することが必要である。このようにして形成された両接触面を略平行とすることで、電気素子１と回路基板３とを平行に接合することができる。以上を満たせば、図４のａ、ｂ、ｃに示すように介挿材７の形状はいずれでもよい。また、介挿材７は接合材５より熱膨張係数が小さく、且つ、接合材５より融点が高いことが特徴である。例えば、（回路基板３の電極  銅：１７ｐｐｍ／℃、電気素子１  シリコン素子：４ｐｐｍ／℃、接合材５  半田：２３ｐｐｍ／℃）において、電気素子１と接合材５の接合信頼性を向上したい場合、電気素子１に近い熱膨張係数（４ｐｐｍ／℃）の介挿材７を配置し、回路基板３と接合材５の接合信頼性を向上したい場合、回路基板３に近い熱膨張係数（１７ｐｐｍ／℃）の介挿材７を配置し、電気素子１及び回路基板３との接合信頼性を同時に向上したい場合は、電気素子１と回路基板３の熱膨張係数の中間である熱膨張係数（１０ｐｐｍ／℃前後）の介挿材７を配置すればよい。
【００２１】
また、本発明の複合基板の介挿材７は、接合材５より熱膨張係数が小さければよく、例えば、熱膨張係数４ｐｐｍ／℃前後のものが望ましい場合には、Ｗ、Ｍｏなどの金属及び窒化珪素、窒化アルミなどのセラミックスが良く、電気伝導性が必要な場合は特に、Ｗ、Ｍｏなどの金属が好適に用いられる。熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃前後のものが望ましい場合には、Ｆｅ−Ｎｉ合金やステンレス合金、ＣｕＷ、ＣｕＭｏの金属混合材、及びチタニア、ジルコニアなどのセラミックスが好適で、特に、電気伝導性が必要な場合は、合金や金属混合材が好適に用いられる。熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃前後のものが望ましい場合には、銅、アルミニウムを主成分とする材質を用いればよい。また、介挿材７には、加工が容易であり、コストが下がる点で金属を用いることが望ましい。また、介挿材７の表面は、耐腐食性を高めるとともに、接合材５との接着を向上させるため、金属被覆層を設けることが望ましく、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＳｎのうち少なくとも１種からなる金属被覆層がめっき法、ＣＶＤ法及びスパッタ法などで形成されていることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の複合基板では、接合材５の厚みは５０〜２００μｍが望ましい。構成部材を強固に接続するためには、接合材５の厚みは５０μｍ以上とすることが望ましく、また、放熱性を維持するため、２００μｍ以下が望ましい。また、さらに、１００〜１５０μｍが好適である。
【００２３】
また、介挿材７は、図４（ａ）に示すように、板状であってもよく、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように貫通孔７ａを有するリング体であってもよいが、製造の容易さから板状であることが望ましく、貫通孔７ａを有する場合には、貫通孔７ａ内部の接合材５を囲む形になるため、熱膨張による接合材５の動きを抑制する効果が向上する点で望ましい。
【００２４】
また、介挿材７が貫通孔７ａを有する形状の場合、その断面形状は図４（ｂ）に示すように、円状であってもよく、図４（ｃ）に示すように四角であってもよい。
【００２５】
また、本発明の複合基板に用いられる接合材５は、Ｓｎ、Ｐｂ、のうち少なくとも１つを主成分とする半田、Ｉｎを主成分とする低融点金属及びＡｇ、Ｃｕ、Ａｌのフィラーを混合した硬化性樹脂を用いることが望ましい。接合材５は、介挿材７が変形する温度（融点、軟化点）よりも、融点が低く、且つ、電気素子１を破壊しない温度で構成部材を接合できるものであればいずれでも良いが、コストの点では半田が好適であり、導電性、熱伝導性の点ではＩｎが好適であり、環境を配慮した場合、Ｐｂフリー半田や硬化性樹脂が好適である。
【００２６】
次に、本発明の複合基板の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、回路基板１の電気素子３を接合する部分に接合材５を形成する。接合材５の形状は、特に制限はないが、粉末、ペースト及び箔のうち少なくとも１種を用いることができ、接合面に均一に形成する点でペースト又は箔が好ましい。ペースト状の場合、スクリーン印刷法やディスペンサ法などで所定の形状、厚みに形成する。箔状の場合は所定の形状に加工して、接合する部分に設置する。次に介挿材７を接合材５内部に埋設し、あるいは、接合材５の上部に配置し、さらに介挿材７上に電気素子３を配置し、接合材５の融点より高く、介挿材７の融点よりも低い温度で熱処理する。
【００２８】
接合は、例えば、接合材５が半田の場合、還元雰囲気で２５０〜４００℃、Ｉｎ系の場合、還元雰囲気で２００〜３００℃、硬化性樹脂の場合、還元雰囲気で１００〜２００℃の条件で行う。
【００２９】
また、接合部のボイドを低減したい場合は、１×１０−４ｔｏｒｒ以上の減圧状態で熱処理することが望ましい。
【００３０】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３１】
【実施例】
実施例１
１３×１３×０．６ｍｍの窒化珪素基板に１１×１１×１．０ｍｍのＣｕ板をろう材により接合した回路基板３を準備し、このＣｕ板上にＳｎ６３％Ｐｂ３７％組成の半田ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、９×９ｍｍ□の形状を形成した。
【００３２】
このとき、溶融後に表１に示す厚みになるように印刷回数を変えて半田ペーストを形成した。形成した半田ペースト５上に、材質がＣｕで半田より剛性が高く、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃であり、形状は外形寸法１０×１０ｍｍ、内形形寸法８×８ｍｍの図４（Ｃ）に示す枠体状で、接合材５と同じ厚みの介挿材７をそれぞれ配置し、この上に９×９ｍｍのＳｉチップ１を設置し、還元雰囲気で３００℃の熱処理により接合した。
【００３３】
実施例２
１３×１３×０．６ｍｍの窒化珪素基板に１１×１１×１．０ｍｍのＣｕ板をろう材により接合した回路基板３を準備し、このＣｕ板上にＳｎ６３％Ｐｂ３７％組成の半田ペースト５をスクリーン印刷法で塗布し、９×９ｍｍ□の形状を形成した。このとき、溶融後に表１に示す厚みになるように印刷回数を変えて半田ペースト５を形成した。形成した半田ペースト５上に、材質がＣｕＷの金属混合材で半田より剛性が高く、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃であり、形状は外形寸法１０×１０ｍｍ、内形寸法８×８ｍｍの図４（Ｃ）に示す枠体状で、接合材５と同じ厚みの介挿材７をそれぞれ配置し、この上に９×９ｍｍのＳｉチップ１を設置し、還元雰囲気で３００℃の熱処理により接合した。
【００３４】
実施例３
１３×１３×０．６ｍｍの窒化珪素基板に１１×１１×１．０ｍｍのＣｕ板をろう材により接合した回路基板３を準備し、この電極上にＳｎ６３％Ｐｂ３７％組成の半田ペースト５をスクリーン印刷法で塗布し、９×９ｍｍ□の形状を形成した。このとき、溶融後に表１に示す厚みになるように印刷回数を変えて半田ペースト５を形成した。形成した半田ペースト５上に、材質がＣｕで半田より剛性が高く、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃であり、形状は寸法６×６ｍｍの図４（Ａ）に示す板状で、接合材５と同じ厚みの介挿材７をそれぞれ配置し、この上に９×９ｍｍのＳｉチップ１を設置し、還元雰囲気で３００℃の熱処理により接合した。
【００３５】
実施例４
１３×１３×０．６ｍｍの窒化珪素基板に１１×１１×１．０ｍｍのＣｕ板をろう材により接合した回路基板３を準備し、この電極上にＳｎ６３％Ｐｂ３７％組成の半田ペースト５をスクリーン印刷法で塗布し、９×９ｍｍ□の形状を形成した。このとき、溶融後に表１に示す厚みになるように印刷回数を変えて半田ペースト５を形成した。形成した半田ペースト５上に、材質がＣｕＷ金属混合材で半田より剛性が高く、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃であり、形状は寸法６×６ｍｍの図４（Ａ）に示す板状で、接合材５と同じ厚みの介挿材７をそれぞれ配置し、この上に９×９ｍｍのＳｉチップ１を設置し、還元雰囲気で３００℃の熱処理により接合した。
【００３６】
比較例
１３×１３×０．６ｍｍの窒化珪素基板に１１×１１×１．０ｍｍのＣｕ板をろう材により接合した回路基板３を準備し、この電極上にＳｎ６３％Ｐｂ３７％組成の半田ペースト５をスクリーン印刷法で塗布し、９×９ｍｍ□の形状を形成した。この時、溶融後に表１に示す厚みになるように印刷回数を変えて半田ペースト５を形成した。形成した半田ペースト５上に、介挿材７を配置せずに９×９ｍｍのＳｉチップ１を設置し、還元雰囲気で３００℃の熱処理により接合した。
【００３７】
実施例及び比較例で説明したサンプルをＳＥＭによる断面観察を行い、初期においてクラックや剥離が発生していないことを確認した後、その他のサンプルを−４０〜１５０℃の冷熱サイクル試験に投入し、５００サイクルまで各１００サイクルごとにサンプルを抜き取り、ＳＥＭによる断面観察を行った。結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
2005050886.tif 000003
【００３９】
介挿材７を用いていない比較例の試料Ｎｏ．２１〜２５は、接合材厚みが３０及び５０μｍの場合、１００サイクルでクラックが発生し、１００及び２００μｍでは２００サイクルで発生し、３００μｍではチップが接合した際に傾き、接合材の薄い部分に１００サイクルでクラックが発生した。
【００４０】
一方、本発明の複合基板では、接合材５の厚みが３０μｍ（試料Ｎｏ．１、６、１１、１６）でもクラックが発生するサイクルは３００サイクル以上であり、接合材５の厚みが５０μｍ（試料Ｎｏ．２、７、１２、１７）ではクラック発生は５００サイクル以上であった。半田厚みが１００μｍ以上（試料Ｎｏ．３、４、５、８、９、１０、１３、１４、１５、１８、１９、２０）では５００サイクルの時点でもクラックはなく、良好な接合状態であった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の複合基板は、回路基板に接合材を介して電気素子を接合し、回路基板と電気素子との間に、接合材より熱膨張係数が小さく、且つ、接合材より融点が高い介挿材が介挿されるため、接合材の熱による体積の変化を抑制でき、熱膨張差に起因して発生する接合材のクラックや剥離を低減することができる。また、介挿材の回路基板側面と電気素子側面が略平行であるため、電気素子の傾きを防ぐことができ、接合材の厚みを均一に接合することができる。そのため、回路基板に電気素子を容易に強固に接合させるとともに、回路基板に接合された電気素子を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる複合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の複合基板の一実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の複合基板の一実施例を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の板状の介挿材を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、本発明の貫通孔を有する介挿材の一形態を示す斜視図であり、図４（ｃ）は、本発明の貫通孔を有する介挿材の他の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１・・・・電気素子、Ｓｉチップ
３・・・・回路基板
５・・・・接合材、半田ペースト
７・・・・介挿材
７ａ・・・貫通孔
ａ・・・・介挿材の電気素子側面
ｂ・・・・介挿材の回路基板側面
【図１】
2005050886.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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