JP3180677B2 - ヒートシンク付セラミック回路基板 - Google Patents
ヒートシンク付セラミック回路基板Info
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Description
用基板等の半導体装置のセラミック回路基板に関する。
更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を
放散させるヒートシンクを有するセラミック回路基板に
関するものである。
て、図5に示すように、セラミック基板3がAlNによ
り形成され、このセラミック基板3の両面に第1及び第
2銅板1,2が積層接着され、AlSiC複合材料によ
り形成されたヒートシンク8の上面にNiめっきが形成
され、更にヒートシンク8が第1銅板1にはんだ6を介
して積層接着されたものが知られている。この回路基板
9では、第1及び第2銅板1,2のセラミック基板3へ
の積層接着は第1銅板1の上にセラミック基板3及び第
2銅板2を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kg
f/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃
に加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により行わ
れ、第2銅板2はエッチンクにより所定のパターンの回
路となる。この後にヒートシンク8が第1銅板1にはん
だ6を介して積層接着され、第2銅板2上に半導体チッ
プ等(図示せず)が搭載される。このように構成された
セラミック回路基板では、半導体チップ等が発した熱は
第2銅板2、セラミック基板3、第1銅板1及びはんだ
6を介してヒートシンク8の表面から放散されるように
なっている。
ラミック回路基板は、半導体チップ等の発熱及び非発熱
により基板温度が高温と低温との間で繰返し変化する
と、セラミック基板と第1及び第2銅板との熱膨張係数
が異なり、かつ第1及び第2銅板の変形抵抗が比較的大
きいため、セラミック基板にクラックが生じる恐れがあ
った。本発明の目的は、熱サイクル寿命が長いヒートシ
ンク付セラミック回路基板を提供することにある。
図1に示すように、セラミック基板13と、セラミック
基板13の両面にAl−Si系ろう材を介してそれぞれ
積層接着された第1及び第2アルミニウム板11,12
と、AlSiC系複合材料により形成され第1アルミニ
ウム板11又は第2アルミニウム板12の表面に積層接
着されたヒートシンク14とを備えたヒートシンク付セ
ラミック回路基板の改良である。その特徴ある構成は、
セラミック基板13がAlN,Si 3 N 4 又はAl 2 O 3 に
より形成され、ヒートシンク14中のAl合金のAl純
度が80〜95重量%でありかつヒートシンク14が積
層接着される第1アルミニウム板11又は第2アルミニ
ウム板12のAl純度が99.98重量%以上であっ
て、ヒートシンク14が第1アルミニウム板11又は第
2アルミニウム板12にヒートシンク14中のAl合金
を介して積層接着されたところにある。この請求項1に
係る回路基板では、第1及び第2アルミニウム板11,
12が従来の銅板と比べて変形抵抗が小さいので、回路
基板10に熱サイクルを付加し てもセラミック基板13
にクラックが発生することがない。またヒートシンク1
4として熱伝導率の高いAlSiC系複合材料を用いた
ので、放熱特性が向上する。またセラミック基板13と
してAlNを用いると熱伝導率及び耐熱性が向上し、S
i 3 N 4 を用いると強度及び耐熱性が向上し、Al 2 O 3 を
用いると耐熱性が向上する。更にろう材やはんだを用い
ずにヒートシンク14を第1アルミニウム板11又は第
2アルミニウム板12に積層接着できるので、製造工数
を削減できる。
に、セラミック基板13と、セラミック基板13の両面
にAl−Si系ろう材を介してそれぞれ積層接着された
第1及び第2アルミニウム板31,32と、AlSiC
系複合材料により形成され第1アルミニウム板31又は
第2アルミニウム板32の表面に積層接着されたヒート
シンク14とを備えたヒートシンク付セラミック回路基
板の改良である。その特徴ある構成は、セラミック基板
13がAlN,Si 3 N 4 又はAl 2 O 3 により形成され、
ヒートシンク14中のAl合金のAl純度が80〜95
重量%でありかつヒートシンク14が積層接着される第
1アルミニウム板31又は第2アルミニウム板32のA
l純度が99.98重量%以上であって、ヒートシンク
14が第1アルミニウム板31又は第2アルミニウム板
32にヒートシンク14及び第1アルミニウム板31又
は第2アルミニウム板32より融点が低いAl−Si系
ろう材を介して積層接着されたところにある。この請求
項2に係る回路基板では、ヒートシンク14中のAl合
金のAl純度が比較的低くても、ヒートシンク14を第
1アルミニウム板31又は第2アルミニウム板32に比
較的容易に積層接着できる。またヒートシンク14中の
Al合金のAl純度が比較的低いため、ヒートシンク1
4の変形抵抗がAl純度の高い場合と比較して大きくな
るが、銅板と比較するとまだ変形抵抗が小さいので、こ
の回路基板30に熱サイクルを付加してもセラミック基
板13にクラックが発生することは殆どない。更にセラ
ミック基板13をSi 3 N 4 により形成したので、回路基
板の強度及び耐熱性を向上できる。
に、セラミック基板13と、セラミック基板13の両面
にAl−Si系ろう材を介してそれぞれ積層接着された
第1及び第2アルミニウム板51,52と、AlSiC
系複合材料により形成され第1アルミニウム板51又は
第2アルミニウム板52の表面に積層接着されたヒート
シンク14とを備えたヒートシンク付セラミック回路基
板の改良である。その特徴ある構成は、セラミック基板
13がSi 3 N 4 により形成され、ヒートシンク14が積
層接着される第1アルミニウム板51又は第2アルミニ
ウム板52のAl純度が99.98重量%以上であっ
て、ヒートシンク14が第1アルミニウム板51又は第
2アルミニウム板52にはんだ56を介して積層接着さ
れたところにある。この請求項3に係る回路基板では、
ヒートシンク14を第1アルミニウム板51又は第2ア
ルミニウム板52に比較的低温で容易に積層接着でき
る。またセラミック基板13をSi 3 N 4 により形成した
ので、回路基板の強度及び耐熱性を向上できる。
図面に基づいて詳しく説明する。 (a) 第1及び第2アルミニウム板のセラミック基板への
積層接着第1及び第2アルミニウム板はAl純度が9
9.98重量%以上の高純度のAl合金により形成さ
れ、セラミック基板はAlN,Si3N4又はAl2O3に
より形成される。図1に示すように、セラミック基板1
3の両面に第1及び第2アルミニウム板11,12を積
層接着するには、第1アルミニウム板11の上にAl−
Si系ろう材(図示せず)、セラミック基板13、Al
−Si系ろう材(図示せず)及び第2アルミニウム板1
2を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜5kgf/c
m2を加え、真空中で600〜630℃に加熱すること
により行われる。積層接着後、第2アルミニウム板12
はエッチング法により所定のパターンの回路となる。A
l−Si系ろう材は90〜95重量%のAlと5〜10
重量%のSiとの合金である。
Cの焼成前の粉体を加圧した状態で、この粉体間の隙間
にAl合金を流込むことにより形成される。このAl合
金のAl純度は80〜95重量%と第1及び第2アルミ
ニウム板11,12のAl純度より低く、残りは20〜
5重量%のSi及び0〜5重量%のMg又はCuを含
む。またヒートシンク14中のAl合金の溶解温度範囲
は560〜600℃である。なお、ヒートシンク中のA
l合金の組成例としては、Al−20重量%Si−4重
量%Mg,Al−7重量%Si,Al−4重量%Cu,
Al−12重量%Si等がある。
の積層接着ヒートシンク14の上に第1アルミニウム板
11を下側にしたセラミック板13とを重ね、これらに
荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中で570
〜610℃に加熱することにより、ヒートシンク14中
のAl合金が溶融してヒートシンク14が第1アルミニ
ウム板11に積層接着される。なお、第1アルミニウム
板をエッチング法により所定のパターンの回路とし、第
2アルミニウム板にヒートシンクを積層接着してもよ
い。
図2において図1と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク14中のAl合金のAl純
度が80〜95重量%であり、かつこのヒートシンク1
4が積層接着される第1アルミニウム板31のAl純度
が99.98重量%以上であって、ヒートシンク14が
第1アルミニウム板31にヒートシンク14及び第1ア
ルミニウム板31より融点が低いAl−Si系ろう材
(図示せず)を介して積層接着される。また第2アルミ
ニウム板32は第1アルミニウム板31と同一材料によ
り形成され、第1及び第2アルミニウム板31,32の
セラミック基板13への積層接着は上記Al−Si系ろ
う材により行われる。ヒートシンク14中のAl合金は
80〜95重量%のAlと20〜5重量%のSiを含
み、このAl合金の溶解温度範囲は560〜600℃で
ある。また第1及び第2アルミニウム板31,32は9
9.98重量%以上のAlを含み、融点は660℃であ
る。更にAl−Si系ろう材は87〜84重量%のAl
と11〜13.5重量%のSiを含み、このろう材の溶
解温度範囲は530〜570℃である。
ートシンク14の上にAl−Si系ろう材、第1アルミ
ニウム板31、Al−Si系ろう材、セラミック基板1
3、Al−Si系ろう材及び第2アルミニウム板32を
重ねる。次にこれらに荷重0.5〜5kgf/cm2を
加え、真空中で550〜570℃に加熱する。これによ
りAl−Siろう材が溶融してヒートシンク14が第1
アルミニウム板31に積層接着される。更に第2アルミ
ニウム板32はエッチング法により所定のパターンの回
路となる。なお、ヒートシンクの上にAl−Si系ろう
材、第2アルミニウム板を重ねてもよく、この場合に
は、第1アルミニウム板がエッチング法により所定のパ
ターンの回路となる。
図3において図1と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク14が第1アルミニウム板
51にはんだ56を介して積層接着される。この場合、
ヒートシンク14中のAl合金のAl純度は特に限定さ
れないが、第1及び第2アルミニウム板51,52のA
l純度は99.98重量%以上である。またはんだ56
は5〜60重量%のPbと95〜40重量%のSnとの
合金である。セラミック基板13の両面に第1及び第2
アルミニウム板51,52を積層接着するには、先ず第
1アルミニウム板51の上にAl−Si系ろう材(図示
せず)、セラミック基板13、Al−Si系ろう材(図
示せず)及び第2アルミニウム板52を重ねた状態で、
これらに荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中
で600〜630℃に加熱することにより行われる。積
層接着後、第2アルミニウム板52はエッチング法によ
り所定のパターンの回路となる。
ンク14の接着面にそれぞれNiめっきを施す。更にヒ
ートシンク14の上にはんだ56と第1アルミニウム板
51を下側にしたセラミック基板13とを重ねた状態
で、N2ガス及びH2ガスの混合ガス雰囲気中で220〜
350℃に加熱することにより、ヒートシンク14が第
1アルミニウム板51に積層接着される。なお、第1ア
ルミニウム板をエッチング法により所定のパターンの回
路とし、ヒートシンクの上にはんだ箔を介して第1アル
ミニウム板を重ねてもよい。
説明する。 <実施例1> 図1に示すように、縦、横及び厚さがそれぞれ60m
m、40mm及び0.635mmのAlNにより形成さ
れたセラミック基板13と、縦、横及び厚さがそれぞれ
60mm、40mm及び0.4mmのAl合金により形
成された第1及び第2アルミニウム板11,12と、
縦、横及び厚さがそれぞれ80mm、60mm及び2.
0mmのAlSiC系複合材料により形成されたヒート
シンク14と、縦、横及び厚さがそれぞれ60mm、4
0mm及び0.03mmのAl−Si系ろう材(図示せ
ず)とを用意した。第1及び第2アルミニウム板11,
12のAl純度はともに99.99重量%であり、ヒー
トシンク14中のAl合金は88重量%Al−12重量
%Si合金であり、Al−Si系ろう材はAl−7.5
重量%Si合金であった。またヒートシンク14中のA
l合金の溶解温度範囲は560〜600℃であった。
Si系ろう材、セラミック基板13、Al−Si系ろう
材及び第2アルミニウム板12を重ねた状態で、これら
に荷重2kgf/cm2を加え、真空中で630℃に加
熱することにより、セラミック基板13の両面に第1及
び第2アルミニウム板11,12を積層接着した。積層
接着後、第2アルミニウム板12をエッチング法により
所定のパターンの回路とした。次にヒートシンク14の
上に第1アルミニウム板11を下側にしたセラミック板
13とを重ね、これらに荷重2kgf/cm2を加え、
真空中で580℃に加熱してヒートシンク14を第1ア
ルミニウム板11に積層接着し、ヒートシンク付セラミ
ック回路基板10を得た。
大にかつ同一材料により形成されたセラミック基板3
と、実施例1の第1及び第2アルミニウム板と同形同大
の第1及び第2銅板1,2と、実施例1のヒートシンク
と同形同大にかつCuにより形成されたヒートシンク4
と、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、30mm及び
0.1mmのはんだ6とを用意した。先ず第1銅板1の
上にセラミック基板3及び第2銅板2を重ねた状態で、
これらに荷重0.5kgf/cm2を加え、N2雰囲気中
で1063℃に加熱するDBC法により、第1及び第2
銅板1,2をセラミック基板3に積層接着した。第2銅
板2をエッチンクにより所定のパターンの回路とした。
次にヒートシンク4の上にはんだ6と第1銅板1を下側
にしたセラミック基板3とを重ねた状態で、N2ガス及
びH2ガスの混合ガス雰囲気中で250℃に加熱してヒ
ートシンク4を第1銅板1に積層接着し、このヒートシ
ンク付セラミック回路基板5を比較例1とした。
材料により形成し、ヒートシンク7をはんだ6を介して
第1銅板1に積層接着する前にヒートシンク8の接着面
にNiめっきを施したことを除いて、比較例1と同様に
構成し、このヒートシンク付セラミック回路基板9を比
較例2とした。
抵抗及びセラミックスクラックをそれぞれ測定した。 反りの測定 実施例1、比較例1及び比較例2のヒートシンクの下面
の反りを3次元測定器でそれぞれ測定した。このときの
測定長さは50mmであった。 熱抵抗の測定 実施例1の第2アルミニウム板の上面と、比較例1及び
比較例2の銅板の上面とに、20mm×15mmの発熱
体をシリコーングリースにてそれぞれ接着し、ヒートシ
ンクの下面に放熱器を取付けた。先ずこの状態で発熱体
を30Wで発熱して発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗
(温度サイクル直前の熱抵抗)を測定した。次に上記実
施例1、比較例1及び比較例2の回路基板に冷熱衝撃試
験器にて−55℃〜室温〜150℃を1サイクルとして
1000サイクルの温度サイクルを付加した。更に温度
サイクルを1000回付加した後に発熱体を30Wで発
熱したときの発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗(温度
サイクル1000回後の熱抵抗)を測定した。
例1のセラミック基板上の第1及び第2アルミニウム板
と、比較例1及び比較例2のセラミック基板上の第1及
び第2銅板とをそれぞれエッチンクで除去した。次に実
施例1のセラミック基板のうち除去されたアルミニウム
板全周長さに対するセラミック基板にクラックが生じて
いる部分の長さの割合と、比較例1及び比較例2の除去
された銅板全周長さに対するセラミック基板にクラック
が生じている部分の長さの割合とをそれぞれ測定した。
上記〜の結果を表1に示す。
較例2ではヒートシンクの反りが30μmと同一であっ
たのに対し、比較例1ではヒートシンクの反りが実施例
1及び比較例2の1.5倍と大きくなっていた。また実
施例1では温度サイクル直前の熱抵抗に対して温度サイ
クル1000回後の熱抵抗が変化しなかったのに対し、
比較例1では温度サイクル1000回後の熱抵抗が約7
8%増大し、比較例2では温度サイクル1000回後の
熱抵抗が約7.7%増大した。更に実施例1ではセラミ
ックスクラックが温度サイクル1000回後であっても
全く生じなかったのに対し、比較例1及び2ではセラミ
ックスクラックが温度サイクル1000回後ともに10
0%となった。即ち比較例1及び比較例2では、セラミ
ック基板のうち除去された銅板全周にわたってクラック
が生じた。
ラミック基板の両面にAl−Si系ろう材を介して第1
及び第2アルミニウム板をそれぞれ積層接着し、AlS
iC系複合材料により形成されたヒートシンクを第1又
は第2アルミニウム板の表面に積層接着したので、この
回路基板に熱サイクルを付加しても、従来の銅板と比べ
て変形抵抗の小さい第1及び第2アルミニウム板がセラ
ミック基板及びアルミニウム板の熱膨張係数の差による
歪みを弾性変形して吸収する。この結果、セラミック基
板にクラックが発生することはない。またヒートシンク
として熱伝導率の高いAlSiC系複合材料を用いたの
で、放熱特性が向上する。またセラミック基板をAl
N,Si3N4又はAl2O3により形成すれば、熱伝導率
及び耐熱性、強度及び耐熱性、又は耐熱性がそれぞれ向
上する。またヒートシンク中のAl合金のAl純度が8
0〜95重量%でありかつ第1又は第2アルミニウム板
のAl純度が99.98重量%以上であって、ヒートシ
ンクを第1又は第2アルミニウム板にヒートシンク中の
Al合金を介して積層接着すれば、ろう材やはんだを用
いずにヒートシンクを第1又は第2アルミニウム板に積
層接着できるので、製造工数を削減できる。
はAl 2 O 3 により形成し、ヒートシンク中のAl合金の
Al純度が80〜95重量%でありかつ第1又は第2ア
ルミニウム板のAl純度が99.98重量%以上であっ
て、ヒートシンクを第1又は第2アルミニウム板にヒー
トシンク及び第1又は第2アルミニウム板より融点が低
いAl−Si系ろう材を介して積層接着すれば、ヒート
シンク中のAl合金のAl純度が比較的低くても、ヒー
トシンクを第1又は第2アルミニウム板に比較的容易に
積層接着できる。またヒートシンク中のAl合金のAl
純度が比較的低いため、ヒートシンクの変形抵抗がAl
純度の高い場合と比較して大きくなるが、従来の銅板と
比較するとまだ変形抵抗が小さいので、この回路基板に
熱サイクルをかけてもセラミック基板にクラックが発生
することは殆どない。また第1及び第2アルミニウム板
のセラミック基板への積層接着と、ヒートシンクの第1
又は第2アルミニウム板への積層接着を同時に行うこと
ができ、製造工数を低減できるとともに、回路基板の強
度及び耐熱性を向上できる。更にセラミック基板をSi
3 N 4 により形成し、第1又は第2アルミニウム板のAl
純度が99.98重量%以上であって、ヒートシンクを
第1又は第2アルミニウム板にはんだを介して積層接着
すれば、ヒートシンクを第1又は第2アルミニウム板に
比較的低温で容易に積層接着できるとともに、回路基板
の強度及び耐熱性を向上できる。
ンク付セラミック回路基板の断面図。
断面図。
断面図。
を示す図1に対応する断面図。
ク回路基板を示す図1に対応する断面図。
Claims (3)
- 【請求項1】 セラミック基板(13)と、 前記セラミック基板(13)の両面にAl−Si系ろう材を
介してそれぞれ積層接着された第1及び第2アルミニウ
ム板(11,12)と、 AlSiC系複合材料により形成され前記第1又は第2
アルミニウム板(11,12)の表面に積層接着されたヒート
シンク(14)と を備えたヒートシンク付セラミック回路基
板において、 前記セラミック基板(13)がAlN,Si 3 N 4 又はAl 2
O 3 により形成され、 前記 ヒートシンク(14)中のAl合金のAl純度が80〜
95重量%でありかつ前記ヒートシンク(14)が積層接着
される第1又は第2アルミニウム板(11,12)のAl純度
が99.98重量%以上であって、 前記ヒートシンク(14)が前記第1又は第2アルミニウム
板(11,12)に前記ヒートシンク(14)中のAl合金を介し
て積層接着されたことを特徴とするヒートシンク付セラ
ミック回路基板。 - 【請求項2】 セラミック基板(13)と、 前記セラミック基板(13)の両面にAl−Si系ろう材を
介してそれぞれ積層接着された第1及び第2アルミニウ
ム板(31,32)と、 AlSiC系複合材料により形成され前記第1又は第2
アルミニウム板(31,32)の表面に積層接着されたヒート
シンク(14)と を備えたヒートシンク付セラミック回路基
板において、 前記セラミック基板(13)がAlN,Si 3 N 4 又はAl 2
O 3 により形成され、 前記 ヒートシンク(14)中のAl合金のAl純度が80〜
95重量%でありかつ前記ヒートシンク(14)が積層接着
される第1又は第2アルミニウム板(31,32)のAl純度
が99.98重量%以上であって、 前記ヒートシンク(14)が前記第1又は第2アルミニウム
板(31,32)に前記ヒートシンク(14)及び前記第1又は第
2アルミニウム板(31,32)より融点が低いAl−Si系
ろう材を介して積層接着されたことを特徴とするヒート
シンク付セラミック回路基板。 - 【請求項3】 セラミック基板(13)と、 前記セラミック基板(13)の両面にAl−Si系ろう材を
介してそれぞれ積層接着された第1及び第2アルミニウ
ム板(51,52)と、 AlSiC系複合材料により形成され前記第1又は第2
アルミニウム板(51,52)の表面に積層接着されたヒート
シンク(14)と を備えたヒートシンク付セラミック回路基
板において、 前記セラミック基板(13)がSi 3 N 4 により形成され、 前記 ヒートシンク(14)が積層接着される第1又は第2ア
ルミニウム板(51,52)のAl純度が99.98重量%以
上であって、 前記ヒートシンク(14)が前記第1又は第2アルミニウム
板(51,52)にはんだ(56)を介して積層接着されたことを
特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22147796A JP3180677B2 (ja) | 1996-08-22 | 1996-08-22 | ヒートシンク付セラミック回路基板 |
US08/916,258 US6033787A (en) | 1996-08-22 | 1997-08-22 | Ceramic circuit board with heat sink |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22147796A JP3180677B2 (ja) | 1996-08-22 | 1996-08-22 | ヒートシンク付セラミック回路基板 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1065075A JPH1065075A (ja) | 1998-03-06 |
JP3180677B2 true JP3180677B2 (ja) | 2001-06-25 |
Family
ID=16767332
Family Applications (1)
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