(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線導体を有する基板と、
前記基板を平面視して、前記基板の一主面に設けられた枠体と、
前記基板の他主面における前記枠体に囲まれた領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第１の放熱部材と、
前記基板の他主面における前記枠体の直下に位置する領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第２の放熱部材と、
を備え、
前記第２の放熱部材の厚みが、前記第１の放熱部材の厚みよりも薄いことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記第１の放熱部材と前記第２の放熱部材との間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記配線導体と前記基板との間、又は前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材と前記基板との間に配された接合材を備え、
金属からなる前記枠体と、該枠体上に載置される入出力端子に設けられた金属部材とをシーム溶接により接合してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記基板は、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
【請求項５】
前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材は、銅からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
【請求項６】
前記配線導体は、銅からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回路基板を用いたパッケージであって、前記枠体上に蓋部材を備えたパッケージ。
【請求項８】
請求項７に記載のパッケージを用いた電子装置であって、前記パッケージ内部に前記配線導体と電気的に接続してなる電子素子を備えた電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板及びにこれを用いたパッケージ並びに電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力、鉄道車両、産業機器や家電製品のインバータ部分やコンバータに用いられているスイッチングデバイスとして、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーモジュールが幅広く使用されている。これらパワーモジュールは、その内部搭載される半導体素子を比較的安価な樹脂によってモールドしたものが一般的であった。
【０００３】
また、このようなパワーモジュールは大電流が流れることから、絶縁性セラミック基板の下面の全面にヒートシンクを設けることが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２８４５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、図６に示すように、半導体チップ１０５が搭載される絶縁性セラミック基板１０１の下方にも放熱部材１０４が設けられていることから、絶縁性セラミック基板１０１とその下方に位置する放熱部材１０４との熱膨張係数差から絶縁性セラミック基板１０１に加わる引っ張り応力を緩和することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板と放熱部材との熱膨張係数差から、基板に加わる引っ張り応力を緩和した回路基板及びパッケージ並びに電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の回路基板は、配線導体を有する基板と、前記基板を平面視して、前記基板の一主面に設けられた枠体と、前記基板の他主面における前記枠体に囲まれた領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第１の放熱部材と、前記基板の他主面における前記枠体の直下に位置する領域に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい第２の放熱部材と、前記基板の他主面に設けられ、前記枠体よりも熱膨張係数の大きい放熱部材と、を備え、前記第２の放熱部材の厚みが、前記第１の放熱部材の厚みよりも薄いことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、回路基板が冷却され、例えば放熱部材の熱収縮に起因して基板に引っ張り応力が加わった場合であっても、枠体の直下に位置する第２の放熱部材の厚みを、基板の他主面における枠体に囲まれた領域に設けられた第１の放熱部材の厚みよりも薄くしたことから、基板の他主面のうち、枠体の直下に位置する領域では、上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体が基板から剥離することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の回路基板及びこれを用いたパッケージ並びに電子装置について、以下に詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の回路基板の一例を示す斜視図である。また、図２（ａ）、図２（ｂ）は図１のＸ−Ｘ’線における断面概略図である。
【００２４】
図中、１は基板、２は配線導体、３は枠体、４は放熱部材、５は電子素子、７はリード端子、９はワイヤー、５０は回路基板である。
【００２５】
例えば、このような回路基板５０の枠体３上に蓋部材を備えることによりパッケージとすることができる。また、このパッケージ内部に配線導体と電気的に接続してなる電子素子を備えることで電子装置９０とすることができる。なお、図面に施したクロスハッチング線は、金属の層が形成されている部分であることを示し、その領域が断面領域を示すものではない。
【００２６】
＜回路基板＞
基板１は、放熱性の観点から比較的高い熱伝導率を有しているＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板やＳｉＣ（窒化ケイ素）基板などのセラミックスの基板１を用いることが好ましい。配線導体２は、例えば銅箔等の導電性材料がセラミックの基板１上にパターニングされている。
【００２７】
配線導体２と基板１との接合は、基板１の一主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と配線導体２とを従来周知のＡｇ（銀）−Ｃｕ（銅）ロウ材等を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて接合してもよい。特に、Ｔｉ（チタン）を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、セラミックスの基板１と配線導体２との接合界面に、Ｔｉ（チタン）とセラミックスとの化合物を生じるため、該化合物によってセラミックスの基板１と配線導体２との接合信頼性を高めることができる。
【００２８】
枠体３は、基板１の一主面を平面視して、例えば配線導体２を囲うようにして設けられるものである。枠体３は、枠体３の取り付け安定性の観点から基板１の外周よりも内側に位置するように設けることが好ましい。枠体３と基板１との接合は、基板１の一主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と枠体３とを従来周知のＡｇ（銀）−Ｃｕ（銅）ロウ材を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて接合してもよい。特にＴｉ（チタン）を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、上述した理由によって基板１と枠体３との接合信頼性を高めることができる。
【００２９】
また、枠体３は金属からなるとともに基板１上に接合材を介して設ければ、枠体３とこの枠体３上の金属部材１１とをシーム溶接により接合することができる。特に、枠体３をＦｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）系の高抵抗の金属とすれば、枠体３と金属部材１１とのシーム溶接を好適に行なうことができる。
【００３０】
金属部材１１は、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｃｏ（コバルト）合金やＦｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）合金等からなる。なお、この金属部材１１をシールリング８として後述する蓋部材１０で封止してもよい。
【００３１】
枠体３と金属部材１１とをシーム溶接することで、枠体３付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板５０に過剰な熱量が加わることを抑制できる。さらに、シーム溶接を行なう際に枠体３を伝わる熱は、Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）ロウ材や活性金属ロウ材等の接合材にも伝わり、接合材は軟化する。加えて、図４に示すように、金属部材１１から枠体３に向かって加圧するため、接合材と枠体３及び基板１との接着面積が増加し、枠体３と基板１との固定をさらに強固なものとすることができる。
【００３２】
また、シーム溶接をすることで、配線部材２と基板１、若しくは、後述する放熱部材４と基板１との接合面に介在するロウ材や半田等の接合材が再溶融することを抑制できるため、基板１と配線部材２、若しくは基板１と放熱部材４との位置ずれを抑制できる。その結果、基板１上で上述した引っ張り応力が加わる部位が変化しにくくなるため、より一層枠体３が基板１から剥離しにくくなる。
【００３３】
放熱部材４は、基板１の他主面に設けられ、枠体３よりも熱膨張係数の大きいものである。放熱部材４は、放熱性の観点から比較的高い熱伝導率を有しているアルミニウムや銅などの金属からなることが好ましい。放熱部材４と基板１との接合は、基板１の他主面にメタライズ層を形成し、このメタライズ層と放熱部材４とを従来周知のＡｇ（銀）−Ｃｕ（銅）ロウ材を用いて接合してもよいし、活性金属ロウ材を用いて放熱部材４と基板１とを接合してもよい。特にＴｉ（チタン）を含有する活性金属ロウ材を用いた場合には、上述した理由によって基板１と放熱部材４との接合信頼性を高めることができる。
【００３４】
本発明に係る回路基板５０の一実施形態は、図２（ａ）に示すように、基板１の他主面において、枠体３の直下に位置する放熱部材４の厚みは、その他の部分における放熱部材４の厚みよりも薄いことを特徴とするものである。
【００３５】
かかる構成によれば、回路基板５０が冷却され、放熱部材４の熱収縮に起因して基板１に引っ張り応力が加わった場合であっても、基板１の他主面のうち、枠体３の直下に位置する領域では、上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体３が基板１から剥離することを抑制できる。
【００３６】
ここで、基板１の他主面のうち、枠体３の直下に位置する領域とは、図２（ａ）中、点線で囲った領域である。また、放熱部材４の厚みを測定するためには、研削盤等を用いて図２（ａ）に示すような断面を作製して、放熱部材４の厚みを測定すればよい。
【００３７】
また、本発明に係る回路基板５０の他の実施形態は、図２（ｂ）に示すように、基板１の他主面のうち、枠体３の直下に位置する領域では、放熱部材４を設けていないことを特徴とするものである。
【００３８】
かかる構成によれば、回路基板５０が冷却され、放熱部材４の熱収縮に起因して基板１に引っ張り応力が加わった場合であっても、枠体３の直下に位置する領域では、放熱部材４を設けていないことから、上記領域では上記引っ張り応力を抑制できるため、枠体３が基板１から剥離することを抑制できる。また、基板１の他主面において放熱部材４が設けられていない箇所を有することから、上記領域を境界部分として、上記引っ張り応力を分散させることができるため、より枠体３が基板１から剥離することを抑制できる。
【００３９】
ここで、基板１の他主面のうち、枠体３の直下に位置する領域とは、図２（ｂ）中、点線で囲った領域である。また、放熱部材４が設けられていない箇所の有無を確認するためには、研削盤等を用いて図２（ｂ）に示すような断面を作製して放熱部材４の有無を確認すればよい。
【００４０】
なお、枠体３と放熱部材４との熱膨張係数の関係は、以下のようにして測定することが可能である。
【００４１】
例えばＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ）による測定が挙げられる。まず回路基板を樹脂でモールドし、所定の断面構造とする。次に、枠体３の部位及び放熱部材４の部位に対して、例えば日本電子製ＪＸＡ−８１００を用いて成分分析を行なえば、測定対象の成分を確認することができる。ここで、測定対象の成分結果が単体である場合は、既知の線膨張率を熱膨張係数とみなせばよい。
【００４２】
また、測定対象の成分結果が合金等の化合物からなる場合は、枠体３及び放熱部材４を各々所定の大きさに切断し、常温から例えばヒーターブロック等で所定の熱量を加えた時の各部材の変位を測定することによって各部材の熱膨張係数の関係を確認することができる。
【００４３】
＜パッケージ及び電子装置＞
次に、上述した回路基板５０を用いたパッケージについて説明する。
【００４４】
本発明に係るパッケージは、枠体３上に蓋部材１０を備えてなるものである。
【００４５】
蓋部材１０は、アルミナ等のセラミックスからなるものでもよいし、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）合金や、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）−Ｃｏ（コバルト）合金等の金属からなるものでもよい。
【００４６】
枠体３に蓋部材１０を直接取り付ける場合は、枠体３に貫通孔を設け、当該貫通孔にパッケージの内外を挿通するリード７を備えればよい。
【００４７】
また、図３に示すように枠体３と蓋部材１０との間に枠体３に入出力端子６を設けることにより、パッケージ内外を電気的に接続してもよい。
【００４８】
入出力端子６は、例えば長方形の誘電体から成る平板部の上面の一方の長辺から他方の長辺にかけてＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等のメタライズ層によって線路導体が形成される。この平板部の短辺方向のほぼ中央部に四角柱状の誘電体から成る立壁部が線路導体を間に挟んで入出力端子６が形成される。線路導体は、例えば、Ｗ，Ｍｏ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、平板部となるセラミック生成形体の上面に、予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておき、焼成することにより形成される。この線路導体とリード端子７とが電気的に接続される。平板部および立壁部は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質セラミックス等の誘電体から成り、好ましくは、セラミックグリーンシート積層法によって形成されるのがよい。
【００４９】
なお、図４に示す方法と同様にして入出力端子６と蓋部材１０とをシーム溶接によってシールリング８を介して接合してもよい。このようにすれば、枠体３付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板５０に過剰な熱量が加わることを抑制できる。したがって、枠体３の取り付け時だけではなく、蓋部材１０取り付け時にも枠体３が基板１から剥離することを抑制できる。
【００５０】
本発明に係るパッケージによれば、例えパッケージが加熱され、その後冷却された場合であっても、基板１と枠体３とが剥離することを抑制できるため、パッケージ内部の封止信頼性を高めることができる。それゆえ、パッケージ内部を大気圧よりも気圧が低い状態に維持し易く、基板１に形成されている配線導体２どうしの距離を近づけた場合であっても、配線導体２どうしの間で漏れ電流が発生することを抑制できる。したがって、配線導体２どうしの距離を近づけることが可能となり、配線導体２の複雑な配線パターンも形成できるとともに、パッケージの小型化にも対応することができる。
【００５１】
最後に、上述したパッケージを用いた電子装置９０について説明する。
【００５２】
本発明に係る電子装置９０は、パッケージ内部に配線導体２と電気的に接続してなる電子素子５を備えたものである。
【００５３】
電子素子５は、上述した大電流が流れる半導体素子を用いることができる。電子素子５の取り付け方法は、上述した配線導体２にワイヤーボンディングによって電気的に接続してもよいし、上述した配線導体２上にフリップチップ接合してもよい。特に、電子素子５をフリップチップ接合した場合には、電子素子５が発熱した場合であっても、配線導体２を介してパッケージ外部へ放熱し易いため好ましい。
【００５４】
＜電子装置の製造方法＞
次に、本発明に係るパッケージの製造方法について入出力端子６を用いた場合について説明する。
【００５５】
本発明に係る電子装置９０の製造方法は、回路基板５０を準備する工程と、入出力端子６の上面にシールリング８を、入出力端子６の下面に金属部材１１を接合する工程と、金属枠体３上に金属部材１１を挟んで入出力端子６を載置する工程と、金属枠体３と金属部材１１とをシーム溶接によって接合する工程と、を備えるものである。
【００５６】
このような電子装置９０の製造方法によれば、シーム溶接によって少ない熱量で枠体３付近を局所的に熱処理することが可能となるため、回路基板５０に過剰な熱量が加わることを抑制できる。それゆえ、上述した引っ張り応力によって、枠体３が基板１から剥離することを一層抑制できる。また、シーム溶接をすることで、配線部材２と基板１、若しくは放熱部材４と基板１との接合面に介在するロウ材や半田等の接合材が再溶融することを抑制できるため、基板１と配線部材２、若しくは基板１と放熱部材４との位置ずれを抑制できる。その結果、基板１上で上述した引っ張り応力が加わる部位が変化しにくくなるため、より一層枠体３が基板１から剥離しにくくなる。
【００５７】
＜その他＞
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等支障ない。例えば、金属部材１１を図５に示すように突起部１１ａを備えることにより、金属部材１１と入出力端子６とを接合する際に金属部材１１が冷却される場合であっても、突起部１１ａで塑性変形し易いため、入出力端子６に加わる応力を緩和することができる。それゆえ、金属部材１１から入出力端子６が剥離することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の回路基板の一例を示す斜視図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線における概略断面図であり、（ａ）は本発明に係る一実施形態示すものであり、（ｂ）は本発明に係る他の実施形態を示すものである。
【図３】本発明の電子装置の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の電子装置の一部拡大図を示すものである。
【図５】本発明の他の電子装置を示す概略断面図である。
【図６】従来の回路基板を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：基板
２：配線導体
３：枠体
４：放熱部材
５：電子素子
６：入出力端子
７：リード端子
８：シールリング
９：ワイヤー
１０：蓋部材
１１：金属部材
１１ａ：突起部
１２：シーム溶接器具
５０：回路基板
９０：電子装置
【図１】
0004949159.tif 000002
【図２】
0004949159.tif 000003
【図３】
0004949159.tif 000004
【図４】
0004949159.tif 000005
【図５】
0004949159.tif 000006
【図６】
0004949159.tif 000007