JP2002203932A - 半導体パワー素子用放熱基板とその導体板及びヒートシンク材並びにロー材 - Google Patents

半導体パワー素子用放熱基板とその導体板及びヒートシンク材並びにロー材

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JP2002203932A JP2001033342A JP2001033342A JP2002203932A JP 2002203932 A JP2002203932 A JP 2002203932A JP 2001033342 A JP2001033342 A JP 2001033342A JP 2001033342 A JP2001033342 A JP 2001033342A JP 2002203932 A JP2002203932 A JP 2002203932A
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brazing material
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清光 鈴木
Yasuo Kondo
保夫 近藤
Teruyoshi Abe
輝宜 阿部
Noriyuki Watabe
典行 渡部
Takashi Suzumura
隆志 鈴村
Kazuhiko Nakagawa
和彦 中川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】接合部にボイドがなく高い接合強度を有し、ま
た厚手の脆いＡl/Ｃｕ金属間化合物を形成しない高信頼
度で、しかも製造方法の容易な半導体パワー素子用放熱
基板、その導体板及びヒートシンク並びにそれを用いた
パワーモヂュール及び複合板の提供。 【解決手段】導体板６、セラミックス板３及びヒートシ
ンク板１よりなる積層体がクラッド型のアルミ合金系ロ
ー材９，１０で接合された構造体よりなり、前記導体板
６とセラミックス及びセラミックス板３とヒートシンク
板１とが数十MPa以上の接合強度を有すること、前記ロ
ー材中のアルミへの拡散を防止又は抑制する拡散抑制部
材を設けたこと、アルミ又はアルミ合金の芯材にアルミ
合金系ロー材を有する複合ロー材、及び低融点アルミ合
金系ロー材のいずれかまたはこれらの組み合せによって
接合されている半導体パワー素子用放熱基板とその導体
板及びヒートシンク板並びにそれを用いたパワーモジュ
ール及び複合板。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体パワー素子を
実装した新規なパワーモジュール、それに用いられる新
規な放熱基板とその導体板及びヒートシンク並びにロー
材と複合板に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体パワー素子用放熱基板とし
ては、導体板、セラミックス板及びヒートシンク板が積
層された構造のものなどが知られている。これらの導体
板、セラミックス板及びヒートシンク板には種々の材料
が用いられ、導体板とセラミックス板及びセラミックス
板とヒートシンク板とは色々な方法で接合されている。
例えば、アルミ合金系のロー材で接合したものは特開平
3−125463号、特開平4−12554号、特開平9−27572号、
特開平10−65075号、特開平11−220073号及び特開平12
−119071号他で知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】真空雰囲気あるいは不
活性雰囲気中の高温下（約580〜6１0℃）で荷重（0.1〜
10MPa）を加えながら接合するアルミ合金系のロー材を
用いた半導体パワー素子用放熱基板には、次のような問
題点があった。
【０００４】(a)導体板が荷重印加治具と接合したり、
荷重印加治具で汚染される。特に、導体板がアルミ、ア
ルミ合金、銅、銅合金で構成されるとき顕著であった。
【０００５】(b)アルミ合金系のロー材（例えば、Al-Si
合金、Al-Si-Mg合金、Al-Ge合金、Al-Si-Ge合金など）
中のアルミへ導体板やヒートシンク板が拡散し、アルミ
と導体板やヒートシンク板の化合物を形成する。この化
合物層の存在によって接合部の接着強度が低下し、信頼
性の問題が生じた。特に、導体板とヒートシンク板が銅
系の材料で構成されるとき、AlとCuは548℃で共晶反応
し、AlとCuとの厚手の脆い金属間化合物を生成し、前記
問題点が顕著になった。
【０００６】(c)接合時の荷重印加でアルミ合金系の溶
融ロー材が接合部より外部へ多量に漏出し、接合部に大
きなボイドを発生させたり、ひどい場合は接着しないな
どのトラブルを発生させた。結果として、接合部の強度
が低下し、熱衝撃の過酷な環境下で使用することができ
なかった。導体板とヒートシンク板が銅や銅合金の材料
で構成されるとき、アルミと銅の共晶温度（溶融温度）
が548℃と、良く知られたアルミ合金系ロー材の溶融温
度（ 例えば、Al-12重量％Si ロー材の場合は578℃）よ
り低いため、特に顕著であった。
【０００７】(d)導体板とアルミ合金系のロー材（ロー
材は印刷あるいは箔によって構成されていた。）は別体
であるため、積層時の位置ずれの問題が発生したり、積
層の工程数が増加するなど、量産には不向きな製造方法
であった。
【０００８】(e)セラミックス板と導体板及びヒートシ
ンク板の熱膨張係数が大きく異なり、これらを接合する
温度が580℃以上と高いため、半導体パワー素子用放熱
基板が熱衝撃回数の非常に多い苛酷な環境下で使用され
るとき、接合部に発生する熱応力によって接合部が剥離
するなどのトラブルを発生しやすかった。特に、導体板
とヒートシンク板が銅、銅合金、銅複合材料などの銅系
の材料で構成されるとき顕著であった。なお、セラミッ
クス板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素など
からなり、これらの熱膨張係数はそれぞれ約8ppm、4pp
m、3ppm／℃である。また、導体板とヒートシンク板が
銅やアルミで構成されるとき、これらの熱膨張係数はそ
れぞれ約17ppm、24ppm／℃である。
【０００９】(f)接合時の荷重印加によるアルミ合金系
の溶融ロー材のしみだしによって、導体板とヒートシン
ク板間を電気的に短絡させ、製造歩留まりを低下させる
ことがあった。
【００１０】(g) さらに、生産性に適した400℃クラス
の低温で接合するには、本分野で融点が500℃以下のア
ルミ合金系ロー材の提案とその実証がなされていなかっ
た。
【００１１】このように、従来の半導体パワー素子用放
熱基板は生産性や信頼性に関して大きな問題点を抱えて
いた。
【００１２】本発明の目的は、接合部のボイドがなく高
い接合強度を有し、また脆いＡl/Ｃｕ金属間化合物の形
成を抑制し、高信頼度で、しかも製造方法の容易な半導
体パワー素子用放熱基板とその導体板及びヒートシンク
板並びにロー材及びパワーモジュールと複合板を提供す
ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、アルミの拡散
を抑制する拡散抑制部材を設けること、又低融点アルミ
合金系ロー材を用いること、又アルミ又はアルミ合金の
芯材又は導体板に設けられたアルミ合金系ロー材を用い
ること、又接合の際に荷重によって加圧するいずれか、
又はこれらの組み合せにより、アルミの拡散を抑制する
接合によって接合部のボイドがなく、少なくとも10MPa
以上の高い接合強度を有するものである。またその結
果、脆いＡl/Ｃｕ金属間化合物の形成を抑制し、高信頼
度で、製造容易で高信頼度な半導体パワー素子用放熱基
板、その導体板及びヒートシンク板を実現することがで
きるものである。
【００１４】(a)セラミックス板と接触する反対側の導
体板の表面にニッケルメッキを施し、このニッケル面と
荷重印加治具の表面を接触させる製造方法にした。そし
て、荷重印加治具をアルミナなどのセラミックスあるい
は高融点の金属あるいはカーボンで構成することにし
た。この結果、セラミックスあるいは高融点の金属ある
いはカーボンはニッケルと反応しないため、接合時に荷
重を印加しても、ニッケル面は荷重印加治具と接合せ
ず、且つ治具から汚染されることもなかった。
【００１５】(b)導体板の少なくとも一部に接触させ
て、導体板のアルミへの拡散を防止あるいはアルミへの
拡散の影響を抑制する拡散抑制部材を設けたり、ヒート
シンク板の表面にアルミへの拡散を防止あるいはアルミ
への拡散の影響を抑制する部材を成膜する。こうするこ
とにより、アルミ合金系のロー材中のアルミへの導体板
やヒートシンク板の拡散（含む溶解）を防止して、アル
ミ化合物（導体板とヒートシンク板が銅系の材料で構成
されるとき、 アルミ化合物は Al/Cuで接合強度を低下
させる。）の形成を阻止できた。この結果、接合部の接
着強度が増加し、信頼性が向上した。
【００１６】また、ヒートシンク板が銅（Cu）中へ第一
酸化銅（Cu2O）を分散させた銅複合材料（Cu/Cu2O）か
らなるなる場合、ヒートシンク板が銅系の複合材料であ
っても、その表面の一部はアルミと反応しにくい第一酸
化銅になっているため、ヒートシンク板の表面にアルミ
への拡散を防止する特別な拡散抑制部材を成膜しなくて
も、 Al/Cu化合物の生成をある程度抑制することができ
た。この場合も、接合部の接着強度をある程度改善する
ことができた。しかし、完璧をきすためにはヒートシン
ク板の表面に、前述のアルミへの拡散を防止あるいはア
ルミへの拡散の影響を抑制する部材を成膜した方がベタ
ーであった。前記ヒートシンク板は銅、銅合金、銅複合
材、アルミ及びアルミ合金のいずれかより成り、前記セ
ラミックス板と接する反対面側にアルミ又はアルミ合金
よりなる第２のヒートシンク板が半田又はアルミ合金系
ロー材で接合されていることが好ましい。
【００１７】なお、アルミへの拡散を防止あるいはアル
ミへの拡散の影響を抑制する部材としては、純Ni、純C
r、純Ti、純W、Ni合金、Cr合金、Ti合金、W合金などが
有効であった。メッキなどの成膜性からNi系、Cr系の材
料を、また高融点性からTi系、Ｗ系の材料を選定して評
価を行った。これらの材料中、純Niの膜厚さは5〜20μ
ｍ、Ni以外の材料では0.5〜5μｍの膜厚さが好ましい。
又、拡散抑制部材として高融点のものが好ましく、純Ni
の1455℃以上、純Tiの1667℃以上、純Crの1900℃以上の
より高融点のものが好ましい。
【００１８】(c)アルミ合金系ロー材部をあらかじめア
ルミあるいはアルミ合金よりなる芯材部の片面あるいは
両面へ薄い膜状にクラッドしたものを用いた。アルミ合
金系ロー材部はAl-Si合金、Al-Si-Mg合金、Al-Ge合金あ
るいは Al-Si-Ge合金などのAl基合金で構成される。Si
5〜15重量％及びGe 5〜20重量％、２種の合計量が5〜20
重量％、より5〜15重量％、更により8〜13重量％含有す
るのが好ましい。Ｍｇは5重量％以下が好ましい。具体
的には、ロー材部にAl-12%Si合金やAl-12%Si-1%Mg合金
用いた場合、ロー材の共晶温度（溶融温度）は約580℃
と、芯材部のアルミの溶融温度660℃より低くなる。こ
の結果、導体板、セラミックス板及びヒートシンク板を
積層した後、これらの積層体を真空雰囲気あるいは不活
性雰囲気中で580℃〜6１0℃の高温に加熱し、アルミナ
製の治具などで単位面積当たり0.1〜10Maの荷重を加え
る接合条件下でも、アルミ合金系の溶融ロー材が接合部
より外部に漏出するのを防止することができた。結果と
して、接合部にボイドを発生させたり、接着しないなど
のトラブルを解消できた。ロー材部／芯材部／ロー材部
の積層品よりなるクラッド材は、そのトータル厚さが百
〜数百ミクロンの箔で、且つロー材部の厚さを芯材部の
厚さの約10％程度と薄くすることによって、溶融ロー材
が接合部より外部に漏出するのを完全に防止することが
できた。このように、ロー材部／芯材部／ロー材部の積
層品よりなるクラッド材は、接合部のボイドがなく、高
い接合強度を有する高信頼度な半導体パワー素子用放熱
基板を実現するアルミ合金系のロー材として極めて有効
であった。
【００１９】なお、ロー材部の厚さが数十μｍ以下と薄
ければ、芯材部がなくても極くわずかのボイドが発生す
るものの、ある程度の接着強度を確保することが可能で
あった。この場合、単位面積当たりの接合荷重を極力低
くし、荷重印加時間を長くすることが肝要であった。こ
の場合、生産速度が若干悪くなる。
【００２０】導体板とヒートシンク板が銅、銅合金、銅
複合材料などの銅系の材料で構成されるとき、アルミと
銅の共晶温度（溶融温度）が548℃とアルミ合金系ロー
材の溶融温度（例えば、約580℃）より低いため、前述
の接合条件下ではクラッド材中の芯材部までが銅と反応
して溶融し、荷重の印加によってロー材部はもとより芯
材部までが接合部より外部に漏出した。これを避けるた
めに、ロー材部と接触する導体板やヒートシンク板の表
面に、銅がアルミへ拡散するのを防止あるいはアルミへ
の拡散の影響を大幅に抑制する拡散抑制部材を成膜し
た。この結果、芯材部の溶融を完全に防止でき、接合部
にボイドを発生させたり、接着しないなどのトラブルを
対策することができた。
【００２１】(ｄ)導体板をセラミックス板へ接合する前
に、導体板とアルミ合金系のロー材を圧延によってあら
かじめ接着したクラッド材とした。そして、導体板の表
面にはニッケルメッキを施し、このクラッド材を所望の
寸法にプレスで打抜き加工した後、セラミックス板上に
積層し接合を行った。この結果、積層時の位置ずれの問
題がなくなり、積層の工程数が減るなど、量産性に適し
た歩留まりの高い製造方法を実現することができた。
【００２２】なお、導体板がアルミへ拡散するのを防止
あるいはアルミへの拡散の影響を抑制する拡散抑制部材
を、導体板とアルミ合金系のロー材間に圧延によって挿
入、接着したクラッド材とすることも可能であり、さら
に生産性を向上できる。
【００２３】(e)銅（Cu）と第一酸化銅（Cu2O）粒子と
の複合材料（Cu/Cu2O）をヒートシンク板に適用し、セ
ラミックス板との熱膨張係数の差を少なくした。この複
合材料は銅中に分散させる第一酸化銅の割合を増加させ
るにつれて、熱膨張係数が次第に小さくなる材料であ
る。例えば、銅中に第一酸化銅を50体積％分散させる
と、その熱膨張係数は約10ppm／℃となる。結果とし
て、セラミックス板とヒートシンク板接合部の熱応力を
低減させることができる。この複合材料は、銅粉と第一
酸化銅粉との焼結体、銅基地に第一酸化銅粒子を分散し
た溶解材、及びそれらの熱間鍛造、圧延、更にその後の
冷間圧延材として用いられる。第一酸化銅粒子は溶解材
では凹凸のある複雑な形状を有するが、塑性加工により
粒状になり、特に圧延ではその加工により伸ばされた方
向に伸びた棒状になり、粒子及び棒状の直径は200μｍ
以下が好ましい。このように、ヒートシンク板に銅複合
材料を適用することにより、熱衝撃回数の非常に多い苛
酷な環境下で使用しても、接合部に発生する熱応力によ
って接合部が剥離するなどのトラブルを皆無にすること
ができた。また、ヒートシンク板に熱膨張係数の小さい
Al-SiC複合材を適用した場合も、同様の良好な結果が得
られた。
【００２４】なお、導体板の表面には半田で半導体パワ
ー素子を接合し、導体板自体を大電流を流す通電路とし
ても使用される。それ故、導体板には低電気抵抗の材料
である銅、銅合金、アルミあるいはアルミ合金などが望
ましい。また、ヒートシンク板は通常数ミリの厚さであ
るのに対して、導体板の厚さは数百ミクロンである。そ
れ故、セラミックス板との熱膨張係数の差による熱応力
の悪影響は、厚さの薄い導体板側の方がヒートシンク板
側より少ない。さらに、アルミのヤング率は銅や銅合金
のそれより小さい故、問題となるのは導体板に銅や銅合
金を用いた場合である。そこで、導体板の主材料を銅／
アルミ、銅合金／アルミ合金の２層構造あるいはアル
ミ、アルミ合金とすることにより、導体板とセラミック
ス板接合部の熱応力の影響を低減できた。導体板に銅や
銅合金を適用したい場合は、アルミ合金のロー材の厚さ
を十分に厚く（少なくとも百μｍ以上）することが究め
て有効である。
【００２５】(ｆ) アルミ合金系のロー材を前述のクラ
ッド材にし、溶融ロー材部の厚さを薄くすることによ
り、接合時の荷重印加によるアルミ合金系の溶融ロー材
のしみだしを極力少なくすることができた。仮に、極く
微量の溶融ロー材のしみだしがあったとしても、セラミ
ックス板とヒートシンク板間のアルミ合金系ロー材の平
面寸法を、セラミックス板の端部より少なくとも１ミリ
以上突きでているかあるいは１ミリ以上へこませること
によって、極く微量の溶融ロー材をアルミ合金系ロー材
の平面方向に流動させることができた。結果として、溶
融ロー材の垂直方向への流動を防止でき、導体板とヒー
トシンク板間の電気的な短絡を皆無にすることができ
た。
【００２６】(ｇ) これまでに知られているアルミ合金
系ロー材の融点は約580℃と高く（前記(c)項で述べたよ
うに）、融点が500℃以下で400℃クラスの低温で接合す
ることはできなかった。我々は以下に述べる種々のアル
ミ合金ロー材を検討し、400℃クラスの低温接合を可能
にした。即ち、Al-Ge合金、Al-Ga合金、Al-Mg合金、Al-
Li合金、Al-Sn合金、Al-Zn合金、Al-Sn-Zn合金を取り上
げ、これらのロー材のAl中に添加する金属の量（重量
％）とその融点を調べ、セラミックスとの接着性を評価
してみた。前記金属をAl中に添加したロー材は全て、添
加金属量が増加するにつれてその融点を500℃以下に低
めることができ、それによりAl/Cu金属間化合物の形成
を大幅に減少させる事が出来るものである。ここで、融
点は合金が溶ける温度を言う。
【００２７】Al-Ge系での融点は、重量で、20%Geで610
℃、30%Geで570℃、40%Geで510℃と低下し、51%Geで共
晶反応を起こし融点は最も低い420℃になった。融点
は、Ge40〜60%で420〜500℃が得られ,好ましいものであ
る。Al-Ga系での融点は、重量で、20%Gaで620℃、40%Ga
で550℃、50%Gaで510℃、60%Gaで470℃、70%Gaで420
℃、80%Gaで340℃と低下した。融点は、Ga52〜85%で300
〜500℃が得られ,好ましいものである。Al-Mg系での融
点は、重量で、20%Mgで550℃、30%Mgで490℃、40%Mgで4
50℃、66%Mgで共晶反応を起こし融点は最も低い437℃に
なった。融点は、Mg30〜70%で437〜490℃が得られ、好
ましいものである。Al-Li系での融点は、重量で、20%Li
で690℃、40%Liで580℃、50%Liで490℃、60%Liで420
℃、70%Liで330℃、80%Liで290℃と低下した。融点は、
Li48〜75%で300〜500℃が得られ,好ましいものである。
同様に、Al-Sn系で、Sn93〜98%で350〜500℃、Al-Zn系
で、Zn75〜95%で420〜500℃の融点が得られ,好ましいも
のである。又、Al-Sn-Zn系のロー材でも、その融点を50
0℃以下とするアルミ合金系ロー材を得ることができ
た。
【００２８】融点が500℃以下で、接合時の作業温度が5
00℃以下400℃クラスの前記アルミ合金系ロー材を用い
ることにより、半導体パワー素子用放熱基板及び半導体
パワー素子放熱基板用導体板の生産性を向上できた。さ
らに、接合時の作業温度がアルミと銅の共晶温度（溶融
温度）548℃より低温のため、ロー材部と接触する導体
板やヒートシンク板の表面に、銅や銅合金がアルミへ拡
散するのを防止あるいはアルミへの拡散の影響を大幅に
抑制する拡散抑制部材を成膜しなくても、生成されるア
ルミ化合物（Al/Cu）の厚さを極力薄くすることが可能
になった。また、接合温度が低温のため、融点が580℃
と高い従来のアルミ合金系ロー材を用いたときよりも、
接合部に発生する残留熱応力の値は小さくなる。この結
果、(a)〜(e)項の対策を施したときと同様に、接合部の
接着強度が増加し信頼性が向上した。
【００２９】（ｈ）一方、銅側に拡散抑制部材を設けず
に直接アルミ合金系ロー材で接合する場合でも、アルミ
又はアルミ合金からなる芯材の片面又は両面にアルミ合
金系ロー材を有する複合ロー材を用いて接合することに
より高い接合強度が得られることを見出した。前記導体
板は銅、銅合金、銅とアルミとの積層材、アルミ、アル
ミ合金及び、銅合金とアルミ合金との積層材のいずれか
よりなることが好ましい。前記セラミックス板は、アル
ミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかより
成り、及び前記ヒートシンク板は、銅、銅合金、アル
ミ、アルミ合金、Al-SiCの複合材、及び銅と第一酸化銅
との複合材のいずれかが好ましい。前記セラミックス板
とヒートシンク板間の前記アルミ合金系ロー材は、前記
セラミックス板の端部より少なくとも１ミリ以上突きで
ているか、又は１ミリ以上凹んでいること、又、前記導
体板、セラミックス板及びヒートシンク板を順次積層し
た後、これらをアルミ合金系ロー材を用いて真空雰囲気
あるいは不活性雰囲気中で接合すること、又、前記導体
板、セラミックス板及びヒートシンク板の積層体を加熱
し、荷重を印加しながら、これらをアルミ合金系ロー材
を用いて真空雰囲気又は不活性雰囲気中で接合すること
が好ましい。
【００３０】本発明は、導体板にセラミックス板及びヒ
ートシンク板が融点が約580℃と高いアルミ合金系ロー
材によって順次積層される半導体パワー素子用放熱基板
又は、その導体板において、前記アルミ合金系ロー材部
は予めアルミ又はアルミ合金よりなる芯材部の片面又は
両面にクラッドされており、前記アルミ合金系ロー材部
に対向した前記導体板あるいは前記ヒートシンク板の少
なくともいずれか一方の表面に前記ロー材中のアルミと
の拡散を抑制する拡散抑制部材を設けていること、又、
前記導体板は前記導体板と前記ロー材中のアルミとの拡
散を抑制する拡散抑制部材が一体になっていること、あ
るいは前記ロー材は前記導体板と前記ロー材中のアルミ
との拡散を抑制する拡散抑制部材を介して前記導体板に
一体に接合されたクラッド材よりなることを特徴とす
る。
【００３１】又、本発明は、銅又は銅合金からなる導体
板とアルミ又はアルミ合金からなる導体板又はアルミ合
金系ロー材を有するアルミ又はアルミ合金からなる導体
板又はアルミ合金系ロー材を有するアルミ又はアルミ合
金からなる芯材とが一体に形成された導体板が、セラミ
ックス板に融点が約580℃と高いアルミ合金系ロー材に
よって接合される半導体パワー素子用放熱基板又はその
導体板において、前記銅又は銅合金からなる導体板とア
ルミ又はアルミ合金からなる導体板との間に又は前記銅
又は銅合金からなる導体板と前記芯材との間に前記銅又
は銅合金からなる導体板と前記ロー材中のアルミとの拡
散を抑制する拡散抑制部材が設けられていること、又、
前記導体板は該導体板の前記アルミ合金系ロー材の形成
側と反対面側にニッケルメッキが設けられ、該ニッケル
メッキと前記導体板との間に前記導体板と前記ロー材中
のアルミとの拡散を抑制する拡散抑制部材が設けられて
いることを特徴とする。
【００３２】又、本発明は、銅、銅合金又は銅複合材よ
りなるヒートシンク板にセラミックス板が融点が約580
℃と高いアルミ合金系ロー材によって接合される半導体
パワー素子放熱基板用ヒートシンク板において、該ヒー
トシンク板への前記ロー材中のアルミの拡散を抑制する
拡散抑制部材が前記セラミックス板の接合面側に設けら
れていることを特徴とする。
【００３３】本発明は、導体板にセラミックス板及びヒ
ートシンク板がアルミ合金系ロー材によって順次積層さ
れる半導体パワー素子用放熱基板又はその導体板におい
て、前記アルミ合金系ロー材はその融点が500℃以下で
接合時の作業温度が400℃クラスと低温であること、
又、前記アルミ合金系ロー材はその融点が500℃以下で
接合時の作業温度が400℃クラスと低温で、且つ前記ア
ルミ合金系ロー材部は予めアルミ又はアルミ合金よりな
る芯材部の片面又は両面にクラッドされていることを特
徴とする。
【００３４】これらの対策のいくつかを組み合せること
によって、半導体パワー素子用放熱基板及びその導体板
の生産性を改善できると共に、ボイドレスで高い接合強
度を得ることができた。また、熱衝撃回数の非常に多い
苛酷な環境下で使用しても、接合部に発生する熱応力に
よって接合部が剥離するなどのトラブルを皆無にするこ
とが出来る。
【００３５】
【発明の実施の形態】最初に、アルミ合金系ロー材の溶
融温度が約580℃と、接合時の作業温度が500℃以上と高
い場合の本発明について実施例１〜１０で述べる。 （実施例１）図１は本発明に係わる半導体パワー素子用
放熱基板の一実施例を示す断面図である。図に示すよう
に、半導体パワー素子用放熱基板は導体板6、セラミッ
クス板3及びヒートシンク板1を積層した後、これらをア
ルミ合金系のロー材2と4を用いて接合した構造のもので
ある。なお、導体板6はセラミックス板3と接触する反対
側の表面にはニッケルメッキ膜7（厚さは数〜10μｍ）
が施され、セラミックス板3と接触する側の表面には導
体板6がアルミ合金系のロー材4中のアルミへ拡散するの
を防止あるいはアルミへの拡散の影響を抑制する拡散抑
制部材5を設けている。
【００３６】拡散抑制部材5は純Ni、純Cr、純Ti、純W、
Ni合金、Cr合金、Ti合金、W合金などの材料の少なくと
も１種よりなり、その厚さは純Niの場合は少なくとも5
μｍ以上、これ以外の材料では数μｍ程度である。な
お、ヒートシンク板1には通常銅、銅合金、アルミ、ア
ルミ合金などの材料が用いられる場合が多い。アルミや
アルミ合金を用いた場合、これらのアルミはアルミ合金
系のロー材2中のアルミと単に相互拡散するだけであ
り、アルミへ拡散するのを防止あるいはアルミへの拡散
の影響を抑制する拡散抑制部材などは不要である。ま
た、銅（Cu）中へ第一酸化銅（Cu2O）を分散させた銅複
合材料（Cu / Cu2O）を適用した場合は、ヒートシンク
板1が銅系の複合材料であっても、その表面の一部はア
ルミと反応しにくい第一酸化銅になっている。それ故、
ヒートシンク板1のアルミ合金系のロー材2と接触する側
の表面に、アルミへの拡散を防止する特別な拡散抑制部
材を成膜しなくても、 Al / Cu 化合物の生成量をある
程度抑えることができた。また、ヒートシンク板1に非
銅系の材料であるAl-SiC複合材を適用した場合、ヒート
シンク板1へアルミへの拡散を防止する拡散抑制部材の
成膜は不要であった。なお、本図における導体板6の材
料は、特に銅あるいは銅合金よりなる場合を示してい
る。
【００３７】アルミ合金系のロー材2と4のロー材部分は
Al-Si合金、Al-Si-Mg合金、Al-Ge合金あるいはAl-Si-Ge
合金などよりなる。ここで、ロー材部分にAl-12%Si合金
やAl-12%Si-1%Mg合金用いた場合、ロー材の共晶温度
（溶融温度）は約580℃である。導体板6、セラミックス
板3及びヒートシンク板1を図のように積層した後、ニッ
ケルと反応しないアルミナなどのセラミックスよりなる
荷重印加治具（図には示していない。）を導体板6の表
面に成膜したニッケルメッキ膜7へ接触させ、これらの
積層体を真空雰囲気あるいは不活性雰囲気中で580℃〜6
１0℃の高温に加熱し、単位面積当たり0.1〜10MPaの荷
重を数分間以上加える接合条件下で接合した。このよう
にして、高信頼度な半導体パワー素子用放熱基板を得る
ことができた。
【００３８】図２は、図１の半導体パワー素子用放熱基
板の接合前の断面展開図である。なお、後述する同一番
号の要素は全て同じ機能を有するものとして、以下の説
明を行うことにする。一方の面にニッケルメッキ膜7、
他方の面に拡散抑制部材5を成膜した導体板6を導体板部
組100で示した。ヒートシンク板1の上に、アルミ合金系
ロー材2、セラミックス板3、アルミ合金系ロー材4、導
体板部組100の順で積層した後、前述の接合条件下で接
合される。このように、アルミ合金系ロー材2と4は、印
刷ではなく箔であるため生産性に優れた製造方法であ
る。
【００３９】図３は、アルミ合金系ロー材2と4の詳細を
示す断面図である。図３(a)はアルミ合金系ロー材部9と
10をあらかじめアルミあるいはアルミ合金よりなる芯材
部8の両面へ、薄い膜状に圧延によってクラッドした複
合ロー材の断面図である。ロー材部9／芯材部8／ロー材
部10の積層品よりなるクラッド材は、そのトータル厚さ
が百〜数百ミクロンの箔で、且つロー材部9及び10の厚
さを芯材部8の厚さの約10％程度と薄くしている。ここ
で、ロー材部9、10は Al-Si合金、Al-Si-Mg 合金、Al-G
e合金あるいはAl-Si-Ge合金などで構成される。例え
ば、ロー材部にAl-12%Si合金やAl-12%Si-1%Mg合金用い
た場合、ロー材部の共晶温度（溶融温度）は約580℃
と、芯材部の純アルミの溶融温度660℃より低くなる。
アルミ合金系ロー材部9と10は片面でも良い。アルミ合
金よりなる芯材部8は、アルミ合金系ロー材部9、10の溶
ける溶融温度で固体となっており、又接合温度で固体で
あり、それより高い溶融温度ものであり、同じ元素では
その含有量が低いものである。他の元素では目的に応じ
て含有される。それ故、導体板6、セラミックス板3及び
ヒートシンク板1を積層した後、これらの積層体を真空
雰囲気あるいは不活性雰囲気中で580℃〜6１0℃の高温
に加熱しても、溶融するのはロー材部のみで芯材部は溶
融しない。結果として、アルミナ製の治具で単位面積当
たり0.1〜10MPaの荷重を加える接合条件下でも、ロー材
部9、10の厚さが芯材部8の厚さの約10％程度と薄いた
め、ロー材部9と10が接合部より外部に漏出するのを防
止することができた。このように、ロー材部／芯材部／
ロー材部の積層品よりなるクラッド材は、接合部にボイ
ドの発生が極めて少なく、又接着しないなどのトラブル
がないため、数十Mpa以上の接合強度が得られる高信頼
度な半導体パワー素子用放熱基板を実現するアルミ合金
系のロー材として極めて有効であった。
【００４０】図３(b)は、芯材部のない場合のアルミ合
金系のロー材2や4を示したものである。図に示したよう
に、ロー材の全部分が接合条件下の温度で溶融するロー
材部11のみで構成される。この場合、ロー材部11の厚さ
が数十ミクロン以下と薄ければ、芯材部がなくても多少
のボイドが発生するものの、接着強度を確保することが
可能であった。但し、単位面積当たりの接合荷重を極力
低くすることが肝要であった。
【００４１】(実施例２)図４は、導体板6の導体板部組1
00の他の実施例を示す断面図である。図４(a)における
導体板部組100は、銅あるいは銅合金よりなる導体板6の
一方の面にニッケルメッキ膜7を施し、他方の面に銅が
アルミ導体板12へ拡散するのを防止あるいはアルミ導体
板12への拡散の影響を抑制する拡散抑制部材5をメッキ
あるいはスパッタその他の方法で成膜している。本図に
おける導体板部組100は、導体板6に拡散抑制部材5を成
膜し、これにアルミ導体板12を圧延で強固に接着したク
ラッド材へ、ニッケル膜7をメッキで形成することによ
って得られる。あるいは導体板6、拡散抑制部材5となる
箔及びアルミ導体板12の３層材料を同時に圧延で接着し
た後、ニッケル膜7をメッキで形成することによっても
得られる。ここで、銅あるいは銅合金よりなる導体板6
とアルミ導体板12の厚さは、ほぼ同程度の150〜250μｍ
である。
【００４２】図４(b)における導体板部組100は、厚さが
300〜500μｍのアルミ導体板12の表面に拡散抑制部材5
を成膜した後、拡散抑制部材5の表面へニッケル膜7をメ
ッキで形成したものである。本図における拡散抑制部材
5の役目は、ニッケル膜7がアルミ導体板12へ拡散するの
を防止あるいはアルミ導体板12への拡散の影響を抑制す
る材料として使用される。ここで、ニッケル膜7の厚さ
が10μｍ以上と厚ければ、拡散抑制部材5を削除しても
良いことを実験的に確認できた。なお、図４(b)におけ
るアルミ導体板12は純アルミの他、アルミ合金で構成さ
れていても良い。
【００４３】このように、導体板の主材料を銅／アルミ
や銅合金／アルミ合金の２層構造あるいはアルミやアル
ミ合金とすることにより、導体板部組100とセラミック
ス板3との間の熱膨張係数の差による熱応力がその接合
部に及ぼす悪影響を、図１の導体板6の主材料が銅や銅
合金で構成される場合より低減することができた。結果
として、半導体パワー素子用放熱基板を熱衝撃回数の非
常に多い苛酷な環境下で使用しても、前述と同様に高い
信頼性を確保することが可能になった。
【００４４】（実施例３）図５は、本発明による半導体
パワー素子用放熱基板の他の実施例を示す断面図であ
る。本図は、図１に示した放熱基板とは以下の二つの点
が異なる。
【００４５】異なる第１の点は、ヒートシンク板1の材
料に銅、銅合金あるいは銅複合材料を適用し、セラミッ
クス板3と接触する側の表面に、銅がアルミ合金系のロ
ー材2中のアルミへ拡散するのを防止あるいはアルミへ
の拡散の影響を抑制する拡散抑制部材13を成膜したこと
である。拡散抑制部材13は前述の拡散抑制部材5と同様
に、純Ni、純Cr、純Ti、純W、Ni合金、Cr合金、Ti合
金、W合金などの材料の少なくとも１種よりなり、その
厚さは純Niの場合は少なくとも5ミクロン以上、これ以
外の材料では数ミクロン程度である。こうすることによ
り、ヒートシンク板1中の銅がアルミ合金系のロー材2と
反応して、接合強度の低下をもたらすAl / Cu化合物の
生成を完全に防止することができた。そして、接合部の
強度を向上させることに結びついた。特に、ヒートシン
ク板1へ、銅（Cu）中へ第一酸化銅（Cu2O）を分散させ
た銅複合材料（Cu / Cu2O）を適用した場合、セラミッ
クス板3との熱膨張係数の差を小さくできる故、セラミ
ックス板3との接合部における熱応力を大幅に低減させ
ることができる。この結果、半導体パワー素子用放熱基
板を熱衝撃回数の非常に多い苛酷な環境下で使用して
も、接合部に発生する熱応力によって接合部が剥離する
などのトラブルを皆無にすることができた。
【００４６】異なる第２の点は、導体板6をセラミック
ス板3へ接合する前に、拡散抑制部材5を間に挿入して導
体板6とアルミ合金系のロー材4を圧延によってあらかじ
め接着したクラッド材としたことである。そして、導体
板6の一方の表面にはニッケルメッキ膜7を施し、このク
ラッド材を所望の寸法にプレスで打抜き加工した後、セ
ラミックス板3の上に積層して接合を行った。
【００４７】図６は、図５の半導体パワー素子用放熱基
板の接合前の断面展開図である。ニッケルメッキ膜7、
導体板6、拡散抑制部材5及びアルミ合金系ロー材4の積
層体を導体板部組200で示した。前述したように、この
導体板部組200はクラッド材の一方の表面にニッケルメ
ッキ膜7を形成した後、所望の寸法にプレスで打抜き加
工したものである。この結果、積層時の位置ずれの問題
が全くなくなり、積層の工程数が図１の場合より減るな
ど、高い接合強度を有し、量産性に適した歩留まりの高
い製造方法を実現することができる。又、ヒートシンク
板１は、銅又は銅合金よりなり、アルミ合金系ロー材4
による接合側に拡散抑制部材5が一体にもうけられてい
るものである。アルミ合金系ロー材4は実施例１と同様
に、図３（a）及び（ｂ）を用いることが出来る。
【００４８】(実施例４)図７は、導体板部組200の他の
実施例を示す断面図である。図７(a)における導体板部
組200は、銅あるいは銅合金よりなる導体板6と、アルミ
あるいはアルミ合金よりなる芯材部8の片面にロー材部1
0を設けたアルミ合金系ロー材との間に拡散抑制部材5を
挿入し、これらを圧延で強固に接着した後、導体板6の
表面にニッケル膜7をメッキで形成したクラッド材であ
る。このクラッド材を所望の寸法にプレスで打抜き加工
することにより、図に示したものが得られる。ここで、
拡散抑制部材5は導体板6中の銅が芯材部8のアルミへ拡
散するのを防止あるいはアルミへの拡散の影響を抑制す
る前述と同様の材料で構成され、その厚さは純Niの場合
で少なくとも5μｍ以上、これ以外の材料では数μｍ以
上の厚さである。なお、導体板6の厚さは数百μｍで、
芯材部8の厚さの数倍の厚さを有する。
【００４９】図７(b)における導体板部組200は、図７
(a)に示したものと以下の点が異なる。即ち、芯材部8を
アルミあるいはアルミ合金よりなるアルミ導体板12で置
き換えたクラッド材であり、ニッケルメッキ膜７、銅又
は銅合金よりなる導体板6、拡散抑制部材5、アルミある
いはアルミ合金よりなるアルミ導体板12及びアルミ合金
系ロー材10が順次積層されたものである。本図における
導体板6とアルミ導体板12の厚さは、ほぼ同程度の150〜
250μｍ程度である。
【００５０】図７(c)における導体板部組200は、図７
(b)に示したものと以下の点が異なる。即ち、図７(b)中
より導体板6を除去したクラッド材であり、ニッケルメ
ッキ膜７、拡散抑制部材5、アルミあるいはアルミ合金
よりなるアルミ導体板12及びアルミ合金系ロー材10が順
次積層されたものである。本図におけるアルミ導体板12
の厚さは300〜500μｍ程度である。なお、図７(a)、図
７(b)及び図７(c)における主たる通電路はそれぞれ導体
板6、導体板6／アルミ導体板12及びアルミ導体板12であ
る。本実施例においても、高い接合強度が得られるもの
である。
【００５１】（実施例５）図８は、本発明による半導体
パワー素子用放熱基板の他の実施例を示す断面図であ
る。本図は、図５に示した放熱基板とは以下の点が異な
る。即ち、銅又は銅合金より成るヒートシンク板1に溝1
4を加工し、表面に多数のフィン15を設けた基板であ
る。このように、本発明はフィンを設けることによっ
て、放熱効率をさらに高めた半導体パワー素子用放熱基
板にも適用することができ、前述と同様に高い接合強度
が得られる。又、本実施例においても、アルミ合金系の
ロー材2と4は実施例１と同様に図３（a）を用いること
が出来る。
【００５２】（実施例６）本発明による半導体パワー素
子用放熱基板の他の実施例を図９に示す。本図は、図５
に示した放熱基板とは以下の点が異なる。即ち、第１の
ヒートシンク板1に、溝14を加工してフィン15を形成し
た第2のヒートシンク板18をアルミ合金系のロー材17で
接合した点である。ここで、ヒートシンク板1は銅系の
材料である銅複合材よりなる。そして、ヒートシンク板
1の表面に成膜された拡散抑制部材16は、ヒートシンク
板1中の銅がアルミ合金系のロー材17中へ拡散するのを
防止あるいはアルミへの拡散の影響を抑制する前述と同
様の材料で構成され、その厚さは純Niの場合で少なくと
も5μｍ以上、これ以外の材料では数μｍ以上の厚さで
ある。前述したように、ヒートシンク板1は銅（Cu）中
へ第一酸化銅（Cu2O）を分散させた銅複合材料（Cu / C
u2O）よりなり、第一酸化銅の量が50体積％の場合、そ
の熱膨張係数は約10ppm／℃である。それ故、熱膨張係
数の大きいアルミあるいはアルミ合金よりなる第2のヒ
ートシンク板18を用いても、銅複合材よりなるヒートシ
ンク板1はセラミックス板3と第2のヒートシンク板18の
中間の熱膨張係数を有するため、各接合部における熱応
力は小さくなる。結果として、本図の半導体パワー素子
用放熱基板を熱衝撃回数の非常に多い苛酷な環境下で使
用しても、接合部に発生する熱応力によって接合部が剥
離するなどのトラブルを解消することができ、前述と同
様に高い接合強度が得られる。又、本実施例において
も、アルミ合金系のロー材2、4及び17は実施例１と同様
に図３（a）を用いることが出来る。
【００５３】（実施例７）図１０は、本発明による半導
体パワー素子用放熱基板の他の実施例を示す断面図であ
る。一方の面にニッケルメッキ膜7、他方の面に拡散抑
制部材5を成膜した導体板6と、一方の面にニッケルメッ
キ膜7a、他方の面に拡散抑制部材5aを成膜したヒートシ
ンク板6aをセラミックス板3の両面へ、それぞれ図のよ
うにアルミ合金系のロー材4及び4aを用いて接合した基
板である。ここで、導体板6とヒートシンク板6aは銅あ
るいは銅合金よりなり、拡散抑制部材5及び拡散抑制部
材5aは導体板6及びヒートシンク板6a中の銅がアルミ合
金系のロー材4及び4a中のアルミへ拡散するのを防止あ
るいはアルミへの拡散の影響を抑制する材料で、前述と
同様の材料で構成される。そして、これらの厚さは純Ni
の場合で少なくとも5μｍ以上、これ以外の材料では数
μｍ以上である。また、導体板6及びヒートシンク板6a
の厚さはほぼ同程度の数百μｍである。本実施例におい
ても、前述と同様に高い接合強度が得られる。又、本実
施例においても、アルミ合金系のロー材4及び4aは実施
例１と同様に図３（a）を用いることが出来る。
【００５４】（実施例８）図１１は、本発明による半導
体パワー素子用放熱基板の他の実施例を示す断面図であ
る。前図に示した放熱基板を放熱基板部組300で定義す
ると、この放熱基板部組300をニッケルメッキ膜19を成
膜したヒートシンク板1へ半田20で接合した基板であ
る。本図における導体板6及びヒートシンク板6aはアル
ミ合金系のロー材で接合（接合温度は580〜6１0℃と低
温）されており、従来の銅表面を酸化させた亜酸化銅と
銅との共晶を利用した直接接合法（接合温度は1000℃以
上）や活性金属ロー材法（接合温度は約850℃）に比べ
て接合部の熱応力は小さい。結果として、ヒートシンク
板1へ放熱基板部組300を半田20で接合したものと言えど
も、従来接合技術品より高い信頼性を示した。
【００５５】（実施例９）図１２は、本発明による半導
体パワー素子用放熱基板の他の実施例の断面展開図であ
る。従来技術の直接接合法や活性金属ロー材法によっ
て、セラミックス基板3の両面にそれぞれ銅あるいは銅
合金よりなる導体板21及びヒートシンク板22を接合した
後、導体板21とヒートシンク板22の表面にそれぞれニッ
ケルメッキ膜23、24を成膜したものを放熱基板部組400
で定義する。この放熱基板部組400を、拡散抑制部材13
を成膜したヒートシンク板1へアルミ合金系のロー材2で
接合した半導体パワー素子用放熱基板である。ここで、
導体板21及びヒートシンク板22の厚さは数百μｍであ
る。又、本実施例においても、アルミ合金系ロー材を用
いた接合は前述と同様に高い接合強度が得られる。更
に、本実施例においても、アルミ合金系ロー材2は実施
例１と同様に図３（a）を用いることが出来る。
【００５６】（実施例１０）図１３は、本発明による半
導体パワー素子用放熱基板の他の実施例を示す断面図で
ある。一方の面にニッケルメッキ膜7、他方の面にニッ
ケルメッキ膜27を成膜した導体板6と、一方の面にニッ
ケルメッキ膜25、他方の面にニッケルメッキ膜26を成膜
したヒートシンク板1をセラミックス板3の両面へ、それ
ぞれ図のようにアルミ又はアルミ合金の芯材部８の両面
にアルミ合金系のロー材部９及び10を形成した複合ロー
材用いて接合した基板である。ここで、アルミ合金系の
ロー材（図１中の4及び2に対応する。）は、ロー材部9
／芯材部８／ロー材部10の積層品よりなるクラッド材、
導体板6は銅あるいは銅合金よりなる銅系の材料、ヒー
トシンク板1は銅複合材で構成される実施例である。
【００５７】ニッケルメッキ膜27及び25の厚さを10μｍ
以上と厚く成膜し、接合時に高温へさらす時間を長くし
なければ、これらのニッケルメッキ膜は導体板6及びヒ
ートシンク板1中の銅がアルミ合金系のロー材部9及び10
中のアルミへ拡散するのを防止あるいはアルミへの拡散
の影響を抑制する材料として十分に機能した。なお、導
体板6、セラミック板３及びヒートシンク板1の積層体を
真空あるいは不活性雰囲気下で610℃に加熱し、セラミ
ックス製の加圧治具を介して1MPaの荷重を印加した。1M
Paの荷重を印加しながら610℃に10分間保持した後、温
度を下降させ、積層体の温度が300℃になった時点で荷
重を除去した。全体厚さ（ロー材部9／芯材部８／ロー
材部10のトータル厚さ）が160μｍのアルミ合金系ロー
材を用いて、前記接合条件下で製作した半導体パワー素
子用放熱基板を 40〜+150℃ 、1000サイクルの熱衝撃耐
久試験を実施しても、接合部に剥離などのトラブルは全
く発生しなかった。
【００５８】なお、本実施例に示したような手法でAl-1
2%Si合金ローを用い、銅板又はアルミ板とセラミックス
（アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素）板とを荷
重１MPaを加えて接合したものでは、数十MPa以上の接合
強度が得られ、接合部のボイド（未接合部）はほぼ０％
であった。銅（Cu）と第一酸化銅（Cu2O）粒子との複合
材料（Cu/Cu2O）である銅複合材からなるヒートシンク
板1は、還元雰囲気では素材中の第一酸化銅（Cu2O）が
還元されて銅（Cu）になりやすい性質を持っている。こ
の点、真空あるいは不活性雰囲気で接合可能なアルミ合
金系ロー材は銅複合材に適した接合材料である。
【００５９】図１４は、図１３の半導体パワー素子用放
熱基板の接合前の断面展開図である。一方の面にニッケ
ルメッキ膜7、他方の面にニッケルメッキ膜27を成膜し
た導体板6を導体板部組500、ロー材部9／芯材部８／ロ
ー材部10の積層クラッド材よりなるアルミ合金系のロー
材を4及び2で示した。
【００６０】次に、本発明による半導体パワー素子用放
熱基板の製造時に発生する導体板とヒートシンク板間の
電気的な短絡トラブルとその対策方法について述べる。
例えば、導体板6、アルミ合金系ロー材4、セラミックス
板3及びアルミ合金系ロー材2の積層時における平面寸法
の大小関係、即ち図１３中へa、b、cで示すように互い
の素材のずれ寸法が重要であった。
【００６１】導体板とヒートシンク板間の電気的な短絡
トラブルとその対策方法を図１５及び図１６を用いて説
明する。例えば、図１３に示した半導体パワー素子用放
熱基板を製造する時に、導体板部組500、アルミ合金系
ロー材4、セラミックス板3、アルミ合金系ロー材2及び
ヒートシンク板１を積層した後、図１５に示すようにこ
れらの積層体を治具30と治具29間に挟んで、580〜610℃
の高温下で0.1〜10Mpaの荷重を印加する。アルミ合金系
のロー材がクラッド材であれば溶融ロー材のしみだしは
極々微量であるが、導体板部組500やヒートシンク板1の
平面度が良くないとかあるいは前記積層体の積層部にゴ
ミが介在したとき、極くまれにではあるが部分的に溶融
ロー材が極部的にしみだして、図１５中に示すようなロ
ー材のブリッジ28が導体板部組500とヒートシンク板1間
に形成されることがあった。この場合、導体板部組500
とヒートシンク板1間を電気的に短絡（ショート）させ
るトラブルになる。
【００６２】半導体パワー素子用放熱基板の平面図を図
１６に示すように、導体板部組500、アルミ合金系ロー
材4、セラミックス板3及びアルミ合金系ロー材2を積層
したとき、これらの端部位置が完全に重なった場合（即
ち、図１３に示した寸法a、b、cの関係が、 a = b = c
= 0 mmのとき）などにこのトラブルが発生する。図１
６中へブリッジロー材の概略平面形状を28で示した。ア
ルミ合金系ロー材4と2がセラミックス板3より1mm以上突
きでているかあるいはへこんでいるようにして、重力の
掛かる方向に対して溶けたロー材を受けるようにすれば
短絡トラブルは発生しない。仮に、セラミックス板3と
ヒートシンク板1の間で溶融ロー材が極部的にしみだし
たとしても、このロー材はアルミ合金系のロー材2の表
面に沿って流動するため、導体板部組500とヒートシン
ク板1間を短絡させるような垂直方向のブリッジを形成
しないからである。なお、この表面方向の溶融ロー材の
流動状態を模式的に矢印600で示した。又、本実施例に
おいても、アルミ合金系ロー材を用いた接合は前述と同
様に高い接合強度が得られる。
【００６３】（実施例１１）図１〜図１６に示した本発
明は、主にアルミ合金系ロー材の溶融温度が約580℃
と、接合時の作業温度が少なくとも500℃以上と高い場
合の実施例である。次ぎに、アルミ合金系ロー材の溶け
る溶融温度が400℃クラスと、接合時の作業温度が少な
くとも500℃以下と低い場合の本発明について述べる。
【００６４】アルミ合金系ロー材として、Al-51%Ge（融
点420℃）、Al-60%Ga（融点470℃）、Al-40%Mg（融点45
0℃）、Al-60%Li（融点420℃）及びAl-Sn-Zn系を具体的
に取り上げ、半導体パワー素子用放熱基板を製造した。
前記低温のアルミ合金系ロー材を用いた本発明による半
導体パワー素子用放熱基板の実施例を図１７に示す。図
に示すように、半導体パワー素子用放熱基板は銅又は銅
合金より成る導体板6、セラミックス板3及び銅又は銅合
金より成るヒートシンク板1を積層した後、これらをア
ルミ合金系のロー材4と2を用いて接合した構造のもので
ある。導体板6とヒートシンク板1にアルミあるいはアル
ミ合金はもとより、銅、銅合金あるいは銅複合材よりな
る銅系の材料を適用しても、銅がアルミ合金系のロー材
中のアルミへ拡散するのを防止あるいはアルミへの拡散
の影響を抑制する拡散抑制部材をこれらに成膜すること
は不要であった。これは、接合時の作業温度がアルミと
銅の共晶温度（溶融温度）548℃より低温のため、拡散
抑制部材を成膜しなくても、生成されるアルミ化合物
（Al/Cu）の厚さを極力薄くすることができるからであ
る。更に、接合時の作業温度が400℃クラスと低温のた
め生産性が向上し、接合部に発生する残留熱応力の値は
小さくなった。又、アルミ合金系ロー材に、ロー材部／
芯材部／ロー材部の積層クラッド材を適用すれば、接合
部にボイドがなく且つ接着強度の高い高信頼度な半導体
パワー素子用放熱基板を実現することができた。又、接
合強度、ボイドにおいても前述と同様であった。
【００６５】図１８は、図１７の半導体パワー素子用放
熱基板の接合前の断面展開図である。非常にシンプルな
構造の放熱基板が得られる。
【００６６】前述した従来技術の問題点(a)〜(g)項の少
なくとも一つを解決するものは、本発明に含まれるのは
言うまでもない。又、前述のように、低融点アルミ合金
系ロー材をアルミ又はアルミ合金の芯材の片面又は両面
にクラッドした複合ロー材を図１８に対して用いること
により、より信頼性の高い接合が得られる。なお、図に
は記載しなかったが本発明による半導体パワー素子用放
熱基板をパワーモジュールに適用する際は、導体板6や2
0の上に半導体パワー素子が半田で接合される。
【００６７】
【発明の効果】本発明によれば、接合部にボイドがなく
高い接合強度を有し、また厚手の脆いＡl/Ｃｕ金属間化
合物を形成しない高信頼度で、しかも製造方法の容易な
半導体パワー素子用放熱基板、その導体板及びヒートシ
ンク並びにそれらを用いたパワーモヂュールとその接合
用ロー材及び金属板とセラミックス板との複合板を得る
ことができる顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係わる半導体パワー素子用放熱基板
の断面図。
【図2】 図１に示した半導体パワー素子用放熱基板の
接合前の断面展開図。
【図3】 アルミ合金系ロー材の断面図。
【図4】 導体板部組の他の実施例を示した断面図。
【図5】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図6】 図５に示した半導体パワー素子用放熱基板の
接合前の断面展開図。
【図7】 導体板部組の断面図。
【図8】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図9】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図10】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図11】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図12】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面展開図。
【図13】 本発明による半導体パワー素子用放熱基板の
断面図。
【図14】 図１３に示した半導体パワー素子用放熱基板
の接合前の断面展開図。
【図15】 短絡トラブルを説明する半導体パワー素子用
放熱基板の断面図。
【図16】 短絡トラブルを対策する半導体パワー素子用
放熱基板の説明用平面図。
【図17】 本発明に係わる半導体パワー素子用放熱基板
の断面図。
【図18】 図１７に示した半導体パワー素子用放熱基板
の接合前の断面展開図。
【符号の説明】
１、６a、２２…ヒートシンク板、２、４、４a、１７…
アルミ合金系のロー材、３…セラミックス板、５、５
a、１３、１６…拡散抑制部材、６、２１…導体板、
７、７a、１９、２３、２４、２５、２６、２７…ニッ
ケルメッキ膜、8…芯材部、９、１０、１１…ロー材
部、１２…アルミ導体板、１４…溝、１５…フィン、１
８…第2のヒートシンク板、２０…半田、２８…ロー材
のブリッジ、２８、２９…治具、100、200、500…導体
板部組、300、400…放熱基板部組、600…溶融ロー材の
流動状態図。
フロントページの続き (72)発明者 近藤 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 阿部 輝宜 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渡部 典行 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴村 隆志 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社土浦工場内 (72)発明者 中川 和彦 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 5F036 BB03 BB08 BC06 BD01 BD03 BD13

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】導体板、セラミックス板及び第１のヒート
    シンク板、又は導体板、セラミックス板、第１のヒート
    シンク板及び第２のヒートシンク板が順次積層された半
    導体パワー素子用放熱基板において、前記導体板と前記
    セラミックス板、前記セラミックス板と第１のヒートシ
    ンク板及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシ
    ンク板との少なくとも１つがアルミ合金系ロー材で接合
    され、その接合強度が10MPa以上であることを特徴とす
    る半導体パワー素子用放熱基板。
  2. 【請求項２】導体板、セラミックス板及び第１のヒート
    シンク板、又は導体板、セラミックス板、第１のヒート
    シンク板及び第２のヒートシンク板が順次積層された半
    導体パワー素子用放熱基板において、前記導体板と前記
    セラミックス板、前記セラミックス板と第１のヒートシ
    ンク板及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシ
    ンク板とのすくなくとも１つがアルミ又はアルミ合金系
    より成る芯材又は導体板の片面又は両面に形成されたロ
    ー材を有する複合ロー材を用いて接合されていることを
    特徴とする半導体パワー素子用放熱基板。
  3. 【請求項３】導体板、セラミックス板及び第１のヒート
    シンク板、又は導体板、セラミックス板、第１のヒート
    シンク板及び第２のヒートシンク板が順次積層された半
    導体パワー素子用放熱基板において、前記導体板と前記
    セラミックス板、前記セラミックス板と第１のヒートシ
    ンク板及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシ
    ンク板とのすくなくとも１つがアルミ合金系ロー材で接
    合され、且つ前記導体板と前記セラミックス板との間、
    前記セラミックス板と前記第１のヒートシンク板との間
    及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシンク板
    との間の少なくとも一方に前記導体板及びヒートシンク
    板への前記ロー材中のアルミの拡散を抑制する拡散抑制
    部材を設けたことを特徴とする半導体パワー素子用放熱
    基板。
  4. 【請求項４】導体板、セラミックス板及び第１のヒート
    シンク板、又は導体板、セラミックス板、第１のヒート
    シンク板及び第２のヒートシンク板が順次積層された半
    導体パワー素子用放熱基板において、前記導体板と前記
    セラミックス板、前記セラミックス板と第１のヒートシ
    ンク板及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシ
    ンク板との少なくとも１つが融点５００℃以下であるア
    ルミ合金系ロー材によって接合されていることを特徴と
    する半導体パワー素子用放熱基板。
  5. 【請求項５】導体板、セラミックス板及び第１のヒート
    シンク板、又は導体板、セラミックス板、第１のヒート
    シンク板及び第２のヒートシンク板が順次積層された半
    導体パワー素子用放熱基板において、前記導体板と前記
    セラミックス板、前記セラミックス板と第１のヒートシ
    ンク板及び前記第１のヒートシンク板と第２のヒートシ
    ンク板との少なくとも１つが、重量で、Ge40〜60%、Mg3
    0〜70%、Ga52〜85%、Li48〜75%、Sn93〜98% 、Zn75〜95
    %及びSnとZnとの合計75〜98%のいずれかを含むAl合金よ
    り成るアルミ合金系ロー材で接合されていることを特徴
    とする半導体パワー素子用放熱基板。
  6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、前記導
    体板及び前記ヒートシンク板の外表面側にニッケルメッ
    キ膜を設けたことを特徴とする半導体パワー素子用放熱
    基板。
  7. 【請求項７】請求項１〜５のいずれかにおいて、前記導
    体板の片面又は両面及び前記ヒートシンク板の片面又は
    両面にニッケルメッキ膜が設けられて接合されているこ
    とを特徴とする半導体パワー素子用放熱基板。
  8. 【請求項８】銅又は銅合金よりなる導体板の片面又は両
    面に、アルミとの拡散を抑制する拡散抑制部材、融点50
    0℃以下のアルミ合金系ロー材、及びアルミ又はアルミ
    合金からなる芯材又は導体板の片面又は両面に形成され
    たアルミ合金系ロー材を有する複合ロー材のいずれかを
    一体に設けたことを特徴とする半導体パワー素子放熱基
    板用導体板。
  9. 【請求項９】セラミックス板の片面又は両面に、アルミ
    又はアルミ合金からなる芯材又は導体板の片面又は両面
    に形成されたアルミ合金系ロー材を有する複合ロー材が
    前記アルミ合金系ロー材によって一体に接合されている
    ことを特徴とする半導体パワー素子放熱基板用導体板。
  10. 【請求項１０】銅又は銅合金より成る導体板の一方の側
    にニッケルメッキ膜、及び他方の側にアルミとの拡散を
    抑制する拡散抑制部材、融点500℃以下のアルミ合金系
    ロー材及びアルミ又はアルミ合金からなる芯材又は導体
    板の片面又は両面に形成されたアルミ合金系ロー材を有
    する複合ロー材のいずれかを一体に設けたことを特徴と
    する半導体パワー素子放熱基板用導体板。
  11. 【請求項１１】銅又は銅合金より成る導体板の一方の側
    にニッケルメッキ膜及び他方の側にアルミとの拡散を抑
    制する拡散抑制部材を有し、該拡散抑制部材の表面にア
    ルミ又はアルミ合金より成る導体板を設けたことを特徴
    とする半導体パワー素子放熱基板用導体板。
  12. 【請求項１２】銅又は銅合金からなる導体板にアルミ合
    金系ロー材がアルミ又はアルミ合金からなる芯材又は導
    体板を介して一体に形成された複合導体板から成り、前
    記銅又は銅合金からなる導体板と前記アルミ又はアルミ
    合金からなる芯材又は導体板との間に、前記銅又は銅合
    金からなる導体板への前記ロー材中のアルミの拡散を抑
    制する拡散抑制部材が設けられていることを特徴とする
    半導体パワー素子放熱基板用導体板。
  13. 【請求項１３】ヒートシンク板の表面にアルミの拡散を
    抑制する拡散抑制部材を設けたことを特徴とする半導体
    パワー素子用ヒートシンク。
  14. 【請求項１４】Al-Ga合金、Al-Li合金、Al-Sn合金、Al-
    Zn合金、Al-Sn-Zn合金、Al-Mg合金、Al-Si-Mg合金、Al-
    Ge合金及びAl-Si-Ge合金のいずれかより成り、融点が５
    ００℃以下であることを特徴とするロー材。
  15. 【請求項１５】アルミ又はアルミ合金より成る芯材の片
    面又は両面に、Al-Ga合金、Al-Li合金、Al-Sn合金、Al-
    Zn合金、Al-Sn-Zn合金、Al-Mg合金、Al-Si-Mg合金、Al-
    Ge合金及びAl-Si-Ge合金のいずれかより成り、融点が５
    ００℃以下であるロー材を設けたことを特徴とする複合
    ロー材。
  16. 【請求項１６】アルミ又はアルミ合金より成る芯材の片
    面又は両面にアルミ合金系ロー材が形成されていること
    を特徴とする半導体パワー素子放熱基板接合用複合ロー
    材。
  17. 【請求項１７】導体板、セラミックス板及びヒートシン
    ク板が順次積層された半導体パワー素子用放熱基板と、
    前記導体板に接合された半導体パワー素子とを有するパ
    ワーモジュールにおいて、前記放熱基板が請求項１〜７
    のいずれかに記載の放熱基板、又は、前記導体板が請求
    項８〜１２のいずれかに記載の導体板からなることを特
    徴とするパワーモジュール。
  18. 【請求項１８】金属板とセラミックス板とが、前記金属
    板に設けられたアルミの拡散を抑制する拡散抑制部材を
    介してアルミ合金系ロー材、融点500℃以下のアルミ合
    金系ロー材、及びアルミ又はアルミ合金からなる芯材又
    は導体板の片面又は両面に形成されたアルミ合金系ロー
    材を有する複合ロー材のいずれかによって一体に接合さ
    れていることを特徴とする複合板。
  19. 【請求項１９】請求項３において、前記拡散抑制部材は
    純Ni、純Cr、純Ti、純W、Ni合金、Cr合金、Ti合金、W合
    金のいずれかよりなることを特徴とする半導体パワー素
    子用放熱基板。
  20. 【請求項２０】請求項８、１０〜１２のいずれかにおい
    て、前記拡散抑制部材は純Ni、純Cr、純Ti、純W、Ni合
    金、Cr合金、Ti合金、W合金のいずれかよりなることを
    特徴とする半導体パワー素子放熱基板用導体板。
  21. 【請求項２１】請求項１〜７のいずれかにおいて、前記
    導体板、セラミックス板及び第１のヒートシンク板、又
    は導体板、セラミックス板、第１のヒートシンク板及び
    第２のヒートシンク板を順次積層した後、これらの積層
    体を加熱し、荷重を印加しながら、これらをアルミ合金
    系ロー材を用いて真空雰囲気あるいは不活性雰囲気中で
    接合したことを特徴とする半導体パワー素子用放熱基
    板。
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