JP2005011922A - ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板、およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性に優れ、剥離等の損傷のない、フィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を提供する。
【解決手段】両面銅貼り基板において、互いに対向する第１面と第２面とを有するセラミック基板が、第１面に接合された第１銅板と、第２面に接合された第２銅板とを含む。更に、第２銅板が、フィンを有するヒートシンクからなる。また、セラミック基板と、第１および第２銅板とは、直接接合され、または活性金属を含むろう材を用いて接合される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両面銅貼り基板、およびそれを用いた半導体装置に関し、特に、フィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板、およびそれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に用いられる半導体装置では、窒化アルミニウム等のセラミック基板の両面に銅板が貼り付けられた両面銅貼り基板が準備され、一方の銅板上には、はんだ等の接合材により半導体チップが固定された。また、他方の銅板上には、放熱用の板状ヒートシンクがはんだ等の接合材により接合された。このように、両面銅貼り基板に対して、板状ヒートシンク等を後付けすることにより半導体装置が形成されていた（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、半導体チップから放出された熱を迅速に放散させるために、銅板とヒートシンクとの接合材に、はんだより熱伝導率の高いアルミニウム箔を使用することも行なわれていた（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−２１９５４６公報
【特許文献２】
特開平１０−２７０５９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、従来の半導体装置では、両面銅貼り基板に対して板状ヒートシンク等を後付けするため、半導体装置の構造が複雑となるという問題があった。
また、半導体チップから放出された熱は、接合材を通ってセラミック基板の表面に設けられた銅板からセラミック基板に伝わる。更に、セラミック基板の裏面に設けられた銅板から接合材を通ってヒートシンクに伝わり、放散される。このように、多くの接合界面を通って熱が放散されるため、接合界面での熱抵抗が大きく冷却効率の向上が難しいという問題もあった。
なお、特許文献１では、板状のヒートシンクが用いられているため、放熱特性が良くなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、放熱特性に優れ、剥離等の損傷のない、フィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板、およびこれを用いた半導体装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、両面銅貼り基板であって、互いに対向する第１面と第２面とを有するセラミック基板と、第１面に接合された第１銅板と、第２面に接合された第２銅板とを含み、第２銅板が、フィンを有するヒートシンクからなることを特徴とするヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。
このように、フィンを有するヒートシンクからなる第２銅板を、セラミック基板に接合して作製したヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を用いることにより、優れた放熱特性、接合信頼性を実現できる。
なお、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板とは、セラミック基板に接合された銅板自体がヒートシンクである両面銅貼り基板をいう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。（ａ）は、両面銅貼り基板１００を裏面から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図である。
【０００９】
両面銅貼り基板１００は、例えば、窒化アルミニウムからなるセラミック基板１を含む。セラミック基板１の材料には、窒化アルミニウムの他、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の材料を用いても構わない（詳細は後述する）。
セラミック基板１の表面（第１面）には、電子回路パターンを形成する銅板（第１銅板）２が接合されている。
一方、セラミック基板１の裏面（第２面）には、銅製のヒートシンク（第２銅板）３が接合されている。ヒートシンク３は、平坦な台座部４と、ここから突出した複数のフィン５からなる。フィン５は、それぞれ円柱形状で、マトリックス状に縦横に配置されている。
なお、銅板２、ヒートシンク３の材料には、銅の他、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ等の銅を主成分とする材料を用いても構わない。
【００１０】
両面銅貼り基板１００では、銅板２、ヒートシンク３の台座部４が、ろう材（図示せず）を用いてセラミック基板１の両面に接合されている。ろう材には、例えば活性金属であるＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材が用いられる。
なお、ろう材として、活性金属であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａのうち少なくとも１つの元素を含有するＡｇ−Ｃｕろう材を用いても構わない。
【００１１】
このように、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００では、従来の構造（特許文献１参照）のようにはんだ等の接合材を用いることなく、セラミック基板１と銅板２等とを直接接合するため、半導体装置の構造を簡単できる。また、接合界面を少なくして、熱抵抗を小さくすることもできる。更に、フィンを備えたヒートシンク３を用いるため、放熱特性も向上する。
【００１２】
次に、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００の製造方法について簡単に説明する。
まず、５０ｍｍ角、厚さ３ｍｍの銅板を準備する。続いて、この銅板を機械加工して、複数の円柱形状のフィン５を備えたヒートシンクを形成する。フィン５の直径は２ｍｍ、高さは２．７ｍｍである。台座部の厚さは０．３ｍｍとなる。また、フィン５は、３ｍｍのピッチでマトリックス状に縦横に配置される。即ち、隣接するフィン５の隙間は、１ｍｍとなる。
【００１３】
次に、窒化アルミニウムからなるセラミック基板１を準備する。セラミック基板１は、５０ｍｍ角で、厚さ０．６３５ｍｍである。
【００１４】
次に、セラミック基板１の両面に、活性金属であるＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材を置き、５０ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅板２と、ヒートシンク３をそれぞれ載置する。かかる状態で、例えば真空中で８５０℃程度に加熱し、セラミック基板１と、銅板２およびヒートシンク３とをそれぞれ接合する。このように、活性金属を含むろう材を用いることにより、接合界面でのぬれ性が良好となり、界面での熱抵抗を小さくできる。
以上の工程で、本実施の形態１にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００が完成する。
【００１５】
次に、本実施の形態１にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００と、従来構造のヒートシンク付き両面銅貼り基板との、放熱特性、接合信頼性について比較する。
図２は、全体が１５０で表される、従来構造のヒートシンク付き両面銅貼り基板の断面図であり、上記特許文献１に記載された構造である。
【００１６】
ヒートシンク付き両面銅貼り基板１５０では、５０ｍｍ角、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからなるセラミック基板５１の両面に、５０ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅板５２、５３がそれぞれ接合されている。接合方法は、本実施の形態１にかかる両面銅貼り基板１００の場合と同じである。
更に、銅板５３の上には、５０ｍｍ角、厚さ３ｍｍの、板状のヒートシンク５５が、Ｓｎ−Ｐｂはんだからなる接合材５４で後付けされている。
【００１７】
放熱特性の評価は、銅板２、５２の中央に、１５ｍｍ角の発熱体（図示せず）をグリスで接着し、この発熱体を約１０Ｗで発熱させたときの、銅板２、５２とグリスとの界面での温度を測定し、この測定温度と周囲温度との温度差から熱抵抗を算出して行なった。
また、接合信頼性の評価は、室温から１２５℃まで加熱したときの、セラミック基板１、５１の反り量を計測して行なった。反り量は、セラミック基板の隅部の、加熱前後における、セラミック基板の法線方向の変位量で表した。
更に、室温→１２５℃→室温を１サイクルとする温度サイクルを、１００回ずつ５００回まで加えたときの銅板−セラミック基板間の剥離、セラミック基板やはんだ層の亀裂を外部から観察した。これらの、比較実験の結果を表１に示す。
なお、かかる評価方法は、以下の実施の形態においても同様である。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１からわかるように、本発明にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００では、比較例に比較して、熱抵抗が約２分の１と小さくなっており、放熱特性に優れていることがわかる。
また、反り量も、比較例に比べて６割程度と小さくなっている。
更に、比較例では、１００回の温度サイクルを加えた時点ではんだ層の亀裂が生じたのに対し、本発明では５００回の温度サイクル後においても、剥離や亀裂が生じていない。
【００２０】
このように、本実施の形態１にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００は、従来の構造に比較して熱抵抗が小さく放熱特性に優れ、かつ、反り量が小さく剥離や亀裂が発生せず接合信頼性に優れることがわかる。
【００２１】
実施の形態２．
本実施の形態２では、セラミック基板１の両側に、銅板２をそれぞれ接合した両面銅貼り基板を用いて、銅板２とセラミック基板１との厚さの、最適な比率を求める。
セラミック基板１には、５０ｍｍ角、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムの基板を用いた。セラミック基板１の両面には、上記実施の形態１と同じ方法で、Ｔｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材を用いて銅板２を接合した。銅板２は、約５０ｍｍ角、厚さＸｍｍ（Ｘ＝０．０６４、０．１２７、０．１９１、０．３１８、０．４４５、０．６３５、０．９５３、１．２７０、１．５８８、１．９０５ｍｍ）とした。セラミック基板１の両側の銅板２の厚さは同じ厚さとした。
【００２２】
かかる両面銅貼り基板を用いて、以下のような方法で、放熱特性、接合信頼性の評価を行なった。
放熱特性については、熱伝導率で評価した。具体的には、セラミック基板１の厚さ方向の熱伝導率をレーザフラッシュ法により測定した。
また、接合信頼性については、室温→１２５℃→室温を１サイクルとし、この温度サイクルを１００回ずつ５００回まで加えたときの、銅板−セラミック基板間の剥離やセラミック基板の亀裂を外観から観察して行なった。表２に評価結果を示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２からわかるように、全ての両面銅貼り基板の熱伝導率は、窒化アルミニウムからなるセラミック基板の熱伝導率（１７０Ｗ／ｍＫ）より高くなっており、放熱特性としては十分である。
また、剥離や亀裂については、全ての両面銅貼り基板において、３００回の熱サイクルまでは剥離や亀裂が発生していない。一方、厚さ比率（銅板の厚さ／基板の厚さ）が０．１、０．２、２．５、３の場合は、４００回や５００回の熱サイクルで剥離や亀裂が発生している。即ち、厚さ比率が０．３以上で、２以下の場合のみ剥離や亀裂が発生していない。
以上のことから、銅板の厚さとセラミック基板の厚さとの厚さ比率（銅板の厚さ／基板の厚さ）が０．３以上で、２以下の場合に、放熱特性、接合信頼性の双方に優れた両面銅貼り基板が得られることがわかる。
【００２５】
実施の形態３．
図３は、本実施の形態３にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００の断面図であり、構成は実施の形態１と同様となっている。図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態３では、セラミック基板１の厚さをｔ_１、銅板２の厚さをｔ_２、ヒートシンク３の台座部４の厚さをｔ_３、フィンの高さをｔ_４として、以下のような６種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００を準備する。ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の作製方法は、実施の形態１と同様である。
【００２６】
６種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００において、セラミック基板１は、５０ｍｍ角で、厚さｔ_１は、０．６３５ｍｍで一定とする。また、銅板２の厚さｔ_２も、０．３ｍｍで一定とする。
ヒートシンク３は、厚さ３ｍｍの銅板を機械加工して作製する。従って、台座部４の膜厚ｔ_３とフィン５の厚さｔ_４との和は常に３ｍｍである。フィン４は、直径２ｍｍの円柱形状とし、３ｍｍの間隔（ピッチ）で、マトリックス状に縦横に配置される。隣接するフィン５の隙間は１ｍｍとなる。
ここでは、フィンの厚さ（高さ）ｔ_４は、２．４、２．６、２．７、２．８、２．８５、２．９ｍｍの６種類となるようにする。この場合、対応する台座部４の厚さｔ_３は、０．６、０．４、０．３、０．２、０．１５、０．１ｍｍである。
セラミック基板１と、銅板２およびヒートシンク３とは、実施の形態１と同様、活性金属であるＴｉを含むＡｇ−Ｃｕろう材で接合されている。
【００２７】
上記実施の形態１と同様の評価方法で、６種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板に対して、放熱特性、接合信頼性の評価を行なった。表３に評価結果を示す。
【００２８】
【表３】

【００２９】
表３からわかるように、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６の試料で、熱抵抗は１．９〜２．４℃／Ｗとなり、表１に示した従来構造の両面銅貼り基板（図２参照）の熱抵抗（４．２℃／Ｗ）よりも小さくなっている。また、剥離や亀裂が発生するまでの温度サイクル数は、従来構造の場合（１００回）よりも長くなっている。特に、ｔ_２／ｔ_３が１以上で、２以下のＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５の試料では、温度サイクルによる剥離や亀裂が発生しておらず、反り量も−７０〜１２２μｍと小さくなっている。
このように、ｔ_２／ｔ_３を１以上で、２以下とすることにより、放熱特性、接合信頼性に優れた両面銅貼り基板が得られることがわかる。
【００３０】
実施の形態４．
実施の形態４では、銅板の厚さ／セラミック基板の厚さ（ｔ_２／ｔ_１）が０．３以上で、２以下となるように、銅板の厚さｔ_２を０．２、０．５、１．２ｍｍの３種類とする（ｔ_２は０．６３５ｍｍで一定とする）。更に、それぞれの銅板の厚さｔ_２に対して台座部の厚さｔ_３を変えて、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を作製した。そして、それぞれの両面銅貼り基板について、熱抵抗、反り量、温度サイクルを加えたときの剥離や亀裂の有無について評価し、放熱特性、接合信頼性の評価を行なった。
なお、他の構造は、上記実施の形態４（図３）と同じ構造である。
【００３１】
図４は、銅板の厚さｔ_２を０．２、０．５、１．２ｍｍとしたときの、ｔ_２とｔ_３との厚さ比率（ｔ_２／ｔ_３）と、セラミック基板の反り量との関係を示す。本実施の形態４では、ｔ_２／ｔ_１を０．３以上、２以下としているため、かかる条件下では、ｔ_２／ｔ_３が１以上、２以下の範囲内で、基板の反り量が０となる点が存在する。また、ｔ_２／ｔ_３が１以上、２以下であれば、反り量も最大で約１６０μｍと小さいことがわかる。
また、これらのヒートシンクを備えたセラミック基板の熱抵抗は、１．７〜２．５℃／Ｗと十分に小さい値である。更に、これらのヒートシンクを備えたセラミック基板には、温度サイクルによる剥離や亀裂は発生していない。
【００３２】
このように、ｔ_２／ｔ_１が０．３以上、２以下で、かつｔ_２／ｔ_３が１以上、２以下とすることにより、熱抵抗が小さく、また反り量が小さくて剥離や亀裂がない、放熱特性、接合信頼性に優れた両面銅貼り基板が得られることがわかる。
【００３３】
ここで、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板に半導体チップを搭載した場合、半導体チップとヒートシンクを備えた両面銅貼り基板との熱膨張係数が近いほうが、耐熱疲労性に優れる。即ち、半導体チップやセラミック基板に比較して熱膨張係数の大きな銅の部分の膜厚比率は小さい方が好ましい。
従って、ｔ_２／ｔ_１を０．３以上、０．５以下に限定することにより、半導体チップとヒートシンクを備えた両面銅貼り基板との熱膨張係数がより近くなり、耐熱疲労性を更に向上させることができる。
【００３４】
また、図４において、ｔ_２／ｔ_１が０．３以上、０．５以下の条件を満たすのは、ｔ_２＝０．２ｍｍ（□）とｔ_２＝０．２ｍｍ（▽）の場合であるが、これらの場合に、ｔ_２／ｔ_３を１．３以上、２以下に限定することにより、更にセラミック基板の反り量を小さくできる。
【００３５】
従って、膜厚ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３において、好適には、ｔ_２／ｔ_１が０．３以上、２以下、かつｔ_２／ｔ_３が１以上、２以下であり、更に好適には、ｔ_２／ｔ_１が０．３以上、０．５以下で、かつｔ_２／ｔ_３が１．３以上、２以下である。
【００３６】
実施の形態５．
実施の形態５では、フィンの高さ（厚さ）、フィンの間隔を変えたヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を作製し、反り量について評価した。
【００３７】
まず、フィンの高さ（厚さ）の影響を評価するために、フィンの高さを変えた５種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を準備した。ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の作製方法は、実施の形態１と同様である。
かかる５種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板において、セラミック基板は、５０ｍｍ角で、厚さｔ_１は、０．６３５ｍｍで一定とする。また、銅板の厚さｔ_２も、０．３ｍｍで一定とする。
ヒートシンクは、台座部の厚さｔ_３を０．３ｍｍで一定とし、フィンの高さ（厚さ）ｔ_４を０．７、１．７、２．７、３．７、４．７ｍｍの５種類とした。従って、台座部とフィンとを含むヒートシンクの厚さは、それぞれ１、２、３、４、５ｍｍとなる。
また、フィンは、直径２ｍｍの円柱形状とし、３ｍｍの間隔（ピッチ）で、マトリックス状に縦横に配置される。隣接するフィンの隙間は１ｍｍである。
【００３８】
図５は、フィンの高さ（厚さ）とセラミック基板の反り量との関係である。図５から、フィンの高さが０．７ｍｍから４．７ｍｍまでの範囲内では、セラミック基板の反り量は、フィンの高さによらず略一定である。
【００３９】
次に、フィン同士の間隔の影響を評価するために、フィンの隙間を変えた６種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を準備した。ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の作製方法は、実施の形態１と同様である。
かかる６種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板において、セラミック基板は、５０ｍｍ角で、厚さｔ_１は、０．６３５ｍｍで一定とする。また、銅板の厚さｔ_２も、０．３ｍｍで一定とする。
ヒートシンクは、フィンの高さ（厚さ）ｔ_４が２．７ｍｍ、台座部の厚さが０．３ｍｍでそれぞれ一定であり、ヒートシンクの厚さは３．０ｍｍとなる。
また、フィンは、マトリックス状に縦横に配置されるが、フィンの隙間（隣接するフィンの間の距離）は、縦横方向に、それぞれ０．５、１、２、４、６ｍｍの５種類とする。
【００４０】
図６は、フィン隙間とセラミック基板の反り量との関係である。図６中、フィン隙間０ｍｍの点は、フィンの無い、厚さ３．０ｍｍの板状ヒートシンクを用いた場合の参考点である。
図６より、フィンの無い板状ヒートシンク（参考点）では、反り量が大きく約３００μｍとなっている。一方、フィンを設けることにより、反り量が、フィンの無い場合の２分の１以下に低減されている。また、評価した範囲内では、フィンの間隔が大きくなるほど、セラミック基板の反り量も小さくなっている。
【００４１】
以上のように、評価した範囲内では、フィンの高さや隙間によらず、セラミック基板の反り量を十分に低減でき、接合信頼性が向上する。特に、フィンを設けることにより、フィンを設けない構造に比較して、セラミック基板の反り量を大幅に低減できる。
【００４２】
実施の形態６．
本実施の形態では、図１の構造で、セラミック基板の材料を変えたヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を作製し、熱抵抗、反り量、温度サイクルを加えた場合の剥離や亀裂について評価した。
セラミック基板の材料としては、窒化アルミニウムのほかに、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素の３種類を用いた。
評価条件や評価方法は、実施の形態１と同様である。
【００４３】
評価の結果、いずれの材料を用いた場合も、セラミック基板の反り量は１００〜１３０μｍと小さく、熱抵抗も１．９〜２．６℃／Ｗと小さかった。また、温度サイクルを加えることによる剥離や亀裂も発生しなかった。
このように、セラミック基板の材料として、窒化アルミニウムに代えて、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素を用いても、放熱特性および接合信頼性に優れたヒートシンクを備えた両面銅貼り基板が得られることがわかる。
【００４４】
実施の形態７．
本実施の形態では、図１に示した構造で、フィンの形状を変えたヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を作製し、熱抵抗、反り量、温度サイクルを加えた場合の剥離や亀裂について評価した。
【００４５】
図７は、全体が２００で表される、円錐形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である、（ａ）は裏面図、（ｂ）は（ａ）をＶＩＩ−ＶＩＩ方向に見た断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
セラミック基板１は５０ｍｍ角で、厚さｔ_１は０．６３５ｍｍ、銅板２は５０ｍｍ角で、厚さｔ_２は０．３ｍｍ、ヒートシンク３の台座部４の厚さｔ_３は０．３ｍｍである。セラミック基板１と銅板２およびヒートシンク３との接合にはＡｇ−Ｃｕろう材を用いる。なお、かかる寸法、構造は、図８〜１１に示すヒートシンクを備えた両面銅貼り基板３００、４００、５００、６００においても同様である。
ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板２００では、円錐形状のフィン２５の高さ（厚さ）ｔ_４は２．７ｍｍ、根元部分の直径は２ｍｍとなっている。また、フィン２５のピッチは３ｍｍであり、隣接するフィン２５の根元部分での隙間は１ｍｍである。
【００４６】
図８は、全体が３００で表される、角柱形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。（ａ）は裏面図、（ｂ）は（ａ）をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に見た断面図である。図８中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板３００では、角柱形状のフィン３５は、２ｍｍ角で、高さ（厚さ）ｔ_４は２．７ｍｍとなっている。また、隣接するフィン３５の間の、縦横方向の隙間は、それぞれ１ｍｍである。
【００４７】
図９は、全体が４００で表される、角錐形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。（ａ）は裏面図、（ｂ）は（ａ）をＩＸ−ＩＸ方向に見た断面図である。図９中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板４００では、角錐形状のフィン４５は、根元部分が２ｍｍ角で、高さ（厚さ）ｔ_４は２．７ｍｍとなっている。また、隣接するフィン３５の間の、縦横方向の隙間は、それぞれ１ｍｍである。
【００４８】
図１０は、全体が５００で表される、ストライプ形状（板状）のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。（ａ）は裏面図、（ｂ）は（ａ）をＸ−Ｘ方向に見た断面図である。図１０中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板５００では、ストライプ形状（板状）のフィン５６は、５０ｍｍ（長手方向）×２ｍｍ（幅方向）であり、厚さｔ_４は２．７ｍｍとなっている。また、隣接するフィン５６の隙間は、それぞれ１ｍｍである。
【００４９】
図１１は、全体が６００で表される、円柱形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板である。（ａ）は裏面図、（ｂ）は（ａ）をＸＩ−ＸＩ方向に見た断面図である。図１１中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板６００では、厚さ（高さ）ｔ_４が２．７ｍｍ、直径が２ｍｍの、円柱形状のフィン６５を、千鳥状に配列した。千鳥状の配列とは、図１１（ａ）に示すように、図１に示すマトリックス状配置において、隣接する列の間で、縦方向に２分の１ピッチずつフィンの位置をずらした配置をいう。フィン同士の隙間は、縦方向で１ｍｍ、横方向で２ｍｍとなる。
【００５０】
これら５種類のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板２００、３００、４００、５００、６００について、反り量、熱抵抗、温度サイクルを加えたときの剥離や亀裂の有無について同様に評価した。
【００５１】
その結果、ストライプ形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板５００の場合、熱抵抗は２．２℃／Ｗで、円柱形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板２００とほぼ同じであった。一方、反り量については、フィンが延びた方向（縦方向）と、それに垂直な方向（横方向）とで、反り量が異なっており、温度サイクルを５００回加えることにより、セラミック基板１とヒートシンク３との間に剥離が発生した。これはストライプ形状のフィンの場合、縦方向と横方向でフィン寸法が異なるためである。
【００５２】
円錐形状、角柱形状、角錘形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板２００、３００、４００の場合、反り量は全て１２２μｍ、熱抵抗は２．０℃／Ｗと、円柱形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板１００の場合の反り量、熱抵抗とほぼ同じであった。また、縦方向、横方向で反り量は同じであり、温度サイクルを加えたことによる剥離や亀裂も発生しなかった。
【００５３】
千鳥状に配置した円柱形状のフィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板６００の場合も、熱抵抗は１．９℃／Ｗ、反り量は１２４μｍで、縦横方向で反り量は同じであった。また、温度サイクルを加えることによる剥離や亀裂も発生しなかった。
【００５４】
このように、フィン形状が円柱、円錐、角柱、角錐のような突起状フィンを有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板２００、３００、４００、６００では、フィンの配列によらず、優れた放熱特性が得られるとともに、特に、優れた接合信頼性を得ることができる。
【００５５】
実施の形態８．
本実施の形態８では、図１に示した構造で、セラミック基板１と、銅板２およびヒートシンク３との接合を、他の接合方法を用いて行なったヒートシンクを備えた両面銅貼り基板に対して、熱抵抗、反り量、温度サイクルを加えた場合の剥離や亀裂について評価した。
具体的には、窒化アルミニウムのセラミック基板１と、銅板２および銅製のヒートシンク３との接合方法として、ろう材を用いる代わりに、セラミック基板３を銅板２とヒートシンク３とで挟み、窒素雰囲気で銅の融点直下まで加熱する方法を用いた。加熱温度は約１０７０℃で、保持時間は約２〜３時間とした。かかる方法を用いることにより、セラミック基板１と、銅板２およびヒートシンク３とを、直接接合できる。
なお、セラミック基板１、銅板２、ヒートシンク３の寸法は、実施の形態１で作製したヒートシンクを備えた両面銅貼り基板と同じである。
【００５６】
かかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、反り量、熱抵抗、温度サイクルによる剥離や亀裂について同様に評価した。その結果、反り量は１２５μｍと小さく、熱抵抗も１．８℃／Ｗと小さかった。また、温度サイクルによる剥離や亀裂も発生しなかった。
このようにセラミック基板１と、銅板２およびヒートシンク３とを直接接合した場合も、活性金属を含むろう材を用いた場合と同様に、優れた放熱特性、接合信頼性を有するヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を得ることができる。
【００５７】
実施の形態９．
図１２は、全体が７００で表される、本実施の形態にかかる半導体装置である。（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）をＸＩＩ−ＸＩＩ方向に見た断面図である。図１２中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００５８】
半導体装置は、セラミック基板１と、これに接合された銅板およびヒートシンク３からなるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を含む。銅板は、選択的にエッチングされて、配線やパッド等の所定の回路パターン１２に加工されている。
回路パターン１２上には、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等の接合材７で、半導体チップ６が接合されている。半導体チップ６の電極と回路パターン１２のパッドとは、アルミニウム等の金属ワイヤ８で電気的に接続されている。
【００５９】
かかる半導体装置７００について、実施の形態１と同様に、セラミック基板の反り量、温度サイクルを加えた場合の剥離や亀裂の発生について評価した。
この結果、反り量は１３２μｍと小さく、温度サイクルによる剥離や亀裂は発生しなかった。このように、本発明にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板を用いて半導体装置を作製することにより、放熱特性、接合信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
【００６０】
実施の形態１０．
図１３は、全体が８００で表される、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図であり、図１３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態にかかる半導体装置８００では、実施の形態１で作製したヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の銅板２の上に、半導体チップ等の発熱体９がグリス（図示せず）で接着されている。更に、ヒートシンク３が銅製ケース１０の中に入るように、ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板が銅製ケース１０に取り付けられている。かかる状態で銅製ケース１０中に水を流すことにより、ヒートシンク３が水冷できる。
【００６１】
ここでは、銅製ケース１０中に、毎分１リットルの量の水を流した状態で、熱抵抗を測定した。その結果、熱抵抗は０．１５℃／Ｗと、空冷の場合に比較して非常に小さくなった。このように、ヒートシンク３を水冷することにより、空冷の場合よりも更に熱抵抗が小さくなり、優れた放熱特性を得ることができる。
【００６２】
なお、本実施の形態にかかる半導体装置８００では、半導体チップとして、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなパワーデバイスを使用することにより、特に大きな効果を得ることができる。
【００６３】
実施の形態１１．
図１４は、全体が９００で表される、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図であり、図１４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体装置９００では、実施の形態１のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板（図１参照）を準備し、銅板２の上に、半導体チップ等の発熱体９を樹脂で接着する。更に、銅板２をエポキシ樹脂等の樹脂１１で覆い、半導体チップのような発熱体９を樹脂封止する。
【００６４】
このような半導体装置９００に対して、熱抵抗を測定し、また反り量、温度サイクルを加えたときの剥離や亀裂について評価した。その結果、熱抵抗は１．９℃／Ｗ、反り量も１２０μｍとなり、樹脂封止をしない場合と比べて殆ど変わらない値となった。
このように、本実施の形態にかかる半導体装置９００では、発熱体９を樹脂封止しても熱抵抗を小さくでき、優れた放熱特性を得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板では、優れた放熱特性、接合信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図２】従来構造のヒートシンク付き両面銅貼り基板の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の断面図である。
【図４】ｔ_２とｔ_３との厚さ比率（ｔ_２／ｔ_３）と、セラミック基板の反り量との関係である。
【図５】フィン高さと、セラミック基板の反り量との関係である。
【図６】フィン隙間と、セラミック基板の反り量との関係である。
【図７】本発明の実施の形態７にかかるヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図８】本発明の実施の形態７にかかる他のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図９】本発明の実施の形態７にかかる他のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態７にかかる他のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態７にかかる他のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板の、（ａ）裏面図、および（ｂ）断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態９にかかる半導体装置の、（ａ）上面図、および（ｂ）断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１０にかかる半導体装置の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１１にかかる半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１ セラミック基板、２ 銅板、３ ヒートシンク、４ 台座部、５ フィン、１００ ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。

Claims (9)

1. 両面銅貼り基板であって、
   互いに対向する第１面と第２面とを有するセラミック基板と、
   該第１面に接合された第１銅板と、
   該第２面に接合された第２銅板とを含み、
   該第２銅板が、フィンを有するヒートシンクからなることを特徴とするヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
2. 上記セラミック基板、上記第１銅板、上記第２銅板の台座部およびフィンの、該セラミック基板の法線方向の厚さを、それぞれ、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、およびｔ_４とした場合、以下の式（１）および（２）、
   ０．３≦ｔ_２／ｔ_１≦２ （式１）
   １≦ｔ_２／ｔ_３≦２ （式２）
   が成立することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
3. 上記セラミック基板、上記第１銅板、上記第２銅板の台座部およびフィンの、該セラミック基板の法線方向の厚みを、それぞれ、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、およびｔ_４とした場合、以下の式（３）および（４）、
   ０．３≦ｔ_２／ｔ_１≦０．５ （式３）
   １．３≦ｔ_２／ｔ_３≦２ （式４）
   が成立することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
4. 上記セラミック基板が、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素、および炭化ケイ素からなる群から選択される材料からなることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
5. フィンの形状が、円柱、円錐、角柱、および角錐からなる群から選択される一つの形状であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
6. 上記セラミック基板と、上記第１および第２銅板とが、活性金属を含むろう材により接合されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
7. 上記セラミック基板と、上記第１および第２銅板とが、直接接合されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクを備えた両面銅貼り基板。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載されたヒートシンクを備えた両面銅貼り基板と、
   該両面銅貼り基板に含まれる第１銅板上に載置された半導体素子とを含むことを特徴とする半導体装置。
9. 上記第１銅板が回路パターンに加工されており、該回路パターンと、上記半導体素子の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。

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