JP3529085B2 - ヒートシンク付き回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
用電子回路部品、特にインテリジェントパワーモジュー
ルに好適なヒートシンク付き回路基板に関する。

【０００２】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール回路基板では様々な
方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、その
基板上に銅板などの金属板を接合し回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理をしてから半導体を実装
し、またセラミックス基板の反対面には放熱銅板を接合
し、更に放熱銅板には厚さ数ｍｍ程度の銅ベース板を半
田付けしてからアルミニウム、銅等のヒートシンクにネ
ジ止めして使用されている。

【０００３】しかしながら、このようなヒートシンク付
き回路基板を高温環境下で使用すると、外部からの機械
的衝撃を受けなくてもセラミックス基板にクラックが生
じることがある。その理由は、アルミニウム、銅等のヒ
ートシンクの熱膨張係数は１６〜２３×１０^-6／℃であ
り、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の４〜７×
１０^-6／℃程度と異なっているので、ヒートサイクルを
受けた場合に、熱応力がセラミックス基板に残るためで
ある。

【０００４】そこで、熱伝導性が良好で熱膨張係数をセ
ラミックス基板のそれに近づけた、炭化ケイ素焼結体に
アルミニウムを含浸させた構造のヒートシンクの使用が
提案されている（特開平９−１５７７７３号公報）が、
このものは切削等の加工性がよくないので、回路基板の
生産性に問題があった。また、銅ベース板の半田付け
や、ヒートシンクのネジ止め等の際に、異物を挟み込ま
ないように細心の注意が必要であり、それも生産性が向
上しない一因であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、ヒートサイクルに対する信頼性
と生産性の大なるヒートシンク付き回路基板を提供する
ことを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に回路、反対面に放熱板が形
成されてなる回路基板の放熱板に、ベース板を介して又
は介さずにヒートシンクが取り付けられてなるものにお
いて、上記ヒートシンクの材質が、シリカアルミナ質繊
維強化のアルミニウム又はアルミニウム合金であること
を特徴とするヒートシンク付き回路基板であり、特に上
記ヒートシンクと、上記回路基板の放熱板又はベース板
とが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合
層を介して接合されてなるものであることを特徴とする
ものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
ると、本発明に用いられるセラミックス基板の材質は、
窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パ
ワーモジュール用には窒化アルミニウムが適している。
特に、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ
／ｍｍ² 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×
１０¹³Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム焼結体が好適で
あり、その製造法については特願平９−１２１９９５号
明細書の実施例に詳記されている。

【０００８】上記回路、上記放熱板及び上記ベース板の
材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮すると銅
又は銅合金が最適である。熱応力に対する耐久性を重ん
じる場合は、アルミニウム又アルミニウム合金が用いら
れる。更には、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔
を用いることもでき、それによって銅の電気伝導性とア
ルミニウムの耐久性の両方を備えたものとなる。クラッ
ド箔における第三金属の具体例は、ニッケル、チタン、
クロム、ジルコニウム等である。

【０００９】回路、放熱板及びベース板に用いられる上
記金属は、その表面にニッケルメッキが施されたもので
あってもよい。特に後述のように、放熱板とベース板、
放熱板とヒートシンクを接合する際にその接合層にＡｌ
成分とＮｉ成分を含む合金層を存在させたり、また銅−
ニッケル−アルミニウムクラッド構造の回路や放熱板を
セラミックス基板に形成させる場合には、金属のいずれ
か一方又は両方にニッケルメッキが施されていることが
好ましい。ニッケルメッキの厚みとしては、３〜２０μ
ｍ程度である。

【００１０】回路の厚みは、０．１〜０．５ｍｍである
ことが望ましい。厚みが薄すぎると電流容量が小さくな
って回路の能力が制限され、また厚みが厚すぎると熱膨
張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかるの
で回路基板の耐久性が低下する。

【００１１】放熱板の厚みは、０．１〜１．０ｍｍであ
ることが望ましい。厚みが薄すぎると、回路基板とベー
ス板又はヒートシンクとの間の緩衝効果が小さくなり、
また厚みが厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応
力を与えることになるので回路基板の耐久性が低下す
る。

【００１２】更には、ベース板の厚みは、５ｍｍ以下で
あることが望ましい。厚みが薄すぎるとヒートサイクル
に対する熱衝撃を緩和することができず、またろう材の
金属成分が放熱板に拡散し熱伝導特性が変化する。ま
た、厚みが厚すぎると重くなり、取り扱いにくいものと
なる。このようなベース板は、本発明においては、必ず
しも必要ではなく、回路基板の放熱板にヒートシンクを
直接接合することもできる。ベース板を介してヒートシ
ンクを放熱板に取り付けることによって、ヒートサイク
ルに対する熱衝撃を著しく緩和することができ、耐久性
が一段と向上するという利点がある。

【００１３】回路及び放熱板をセラッミクス基板に形成
（ヒートシンクを有さない回路基板を作製）する方法と
しては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチ
ングする方法、金属板から打ち抜かれた回路又は放熱板
のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によっ
て行うことができる。

【００１４】金属板又はパターンの接合は、活性金属成
分を含むろう材によるろう付け法、有機接着剤による接
合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモ
ジュール用にはセラミックス基板が窒化アルミニウム基
板で、金属は銅が適しているので、その場合は活性金属
成分を含むろう材によるろう付け法が用いられる。

【００１５】活性金属成分を含むろう材の金属成分は、
銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡
れ性を確保するために活性金属を副成分とする。活性金
属成分の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの
化合物である。これらの割合としては、銀７０〜１００
部（重量部、以下同じ）、銅３０〜０部の合計量１００
部あたり活性金属３〜３５部である。

【００１６】アルミニウム又はその合金からなる金属板
又はパターンをセラミックス基板に接合する場合は、ろ
う材の成分はＡｌとＳｉを主成分とし、溶融時のセラミ
ックス基板との濡れ性を確保するために銅及び活性金属
を副成分とする。これらの割合は、アルミニウム７０〜
９５部、シリコン３０〜５部及び銅１〜５部の合計量１
００部あたり、活性金属１〜３５部である。

【００１７】ろう材の金属成分は、通常、金属成分に有
機溶剤と必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニー
ダ、万能混合機、らいかい機等で混合し、ペーストを調
製して使用される。有機溶剤としては、メチルセルソル
ブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有
機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロー
ス、ポリメタクリレート等が用いられる。

【００１８】本発明で使用されるヒートシンクの材質
は、シリカアルミナ質繊維で強化されたアルミニウム又
アルミニウム合金である。

【００１９】シリカアルミナ質繊維としては、アルミナ
含有量が６０重量％以上、特に８０重量％以上で、平均
繊維径が１〜１０μｍ、平均繊維長０．５ｍｍ以上であ
るものが好ましく、これによって強化されたアルミニウ
ム又はアルミニウム合金の熱膨張係数はセラミックス基
板のそれに近くなる。一方、アルミニウム又はアルミニ
ウム合金としては、アルミニウムの他に、アルミニウム
とシリコン等との合金が使用されるが、なかでもＡＣ３
Ａ（ＪＩＳ規格）が最適である。

【００２０】シリカアルミナ質繊維とアルミニウム又は
アルミニウム合金の割合は、シリカアルミナ質繊維を２
０〜４０体積％、特に３０体積％程度含んでいることが
好ましく、このような繊維強化アルミニウム又はアルミ
ニウム合金は、シリカアルミナ質繊維からなる成型密度
０．５〜２．３ｇ／ｃｍ³ のプリフォームを成形し、そ
れにアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるこ
とによって製造することができる。プリフォームの成型
密度が０．５ｇ／ｃｍ³よりも小さいとヒートシンクの
熱膨張係数が大きくなり、また２．３ｇ／ｃｍ³ をこえ
ると熱伝導性が低下する。

【００２１】シリカアルミナ質繊維のプリフォームにア
ルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるには、プ
リフォームを２００〜６００℃程度の温度に予熱し、３
００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で行うことが好まし
い。予熱温度が２００℃未満では溶融した金属との温度
差が大きく、含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、
また６００℃をこえると冷却速度が小さくなり生産性が
低下する。一方、含浸圧力が３００ｋｇｆ／ｃｍ² 未満
では含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、また７０
０ｋｇｆ／ｃｍ² をこえるとプリフォームの圧密化が発
生する。

【００２２】アルミニウム又はアルミニウム合金を含浸
・冷却後、繊維長と平行方向に部材を切り出す。得られ
た部材は、高熱伝導性で、セラミックスに近い熱膨張係
数を有し、しかも切削加工性にも優れているので、本発
明の回路基板のヒートシンク材に適している。この部材
を、本発明の回路基板のヒートシンクとして、回路基板
の放熱板に、ベース板を介して又は介さずに取り付ける
には、シリカアルミナ質繊維長と平行な面を放熱板又は
ベース板に接合する。

【００２３】ヒートシンクの形状は、放熱板又はベース
板よりも広い面積を持ち、平板形状、直方体形状ないし
はフィン形状が使用される。

【００２４】ヒートシンクを回路基板の放熱板に取り付
ける場合は、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層を存在さ
せた接合層を介して行われるが、ヒートシンクをベース
板に取り付ける場合には、この接合層を介在させる方法
の他に、ネジ止め等の物理的手段によっても行うことが
できる。

【００２５】回路基板とベース板とヒートシンク、又は
回路基板とヒートシンクとを一体化し、本発明のヒート
シンク付き回路基板を製作するには、それらの一つ一つ
を接合する方法、任意の２以上の部材を予め接合してお
きそれらを接合する方法、回路基板作製時の熱源を利用
して、回路基板の作製と同時に全ての部材又は一部の部
材を接合する方法が採用される。

【００２６】本発明の特徴の一つは、これらの部材の接
合において、ヒートシンクと回路基板の放熱板とを、又
はヒートシンクとベース板とを、Ａｌ成分とＮｉ成分を
含む合金層の存在する接合層を介して接合されているこ
とである。これによって、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶半田に
よる半田付け法よりも、高い信頼性を有するヒートシン
ク付き回路基板となる。

【００２７】このような接合層を介在させて接合するに
は、放熱板（ベース板を介在させる場合はベース板）又
はヒートシンクのいずれか又は両方にニッケルメッキを
施し、それらを直接接触配置し、加熱処理することによ
って行うことができる。熱処理は、１×１０^-4Ｔｏｒｒ
程度の真空下で行われ、その加熱炉は赤外線式加熱炉等
のように急速な昇温が可能で微妙な温度コントロールが
できるものが望ましい。加熱は、アルミニウムとニッケ
ルの共晶点近くまで上昇させ、アルミニウムとニッケル
の界面をわずかに溶融させた後、１℃／分以上の速度で
冷却する。具体的には、温度６２０〜６３０℃で３〜１
０分間の保持を行ってから１℃／分以上の速度で冷却す
る。

【００２８】

【実施例】以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を
説明する。

【００２９】ヒートシンクの作製 表１に示すシリカアルミナ質繊維からなるプリフォーム
を５００℃で予熱し、７５０℃で溶融したアルミニウム
合金（ＡＣ３Ａ）に浸漬した。含浸圧力は５００ｋｇｆ
／ｃｍ² とし、含浸速度は１２．５ｍｍ／ｓｅｃとし
た。冷却後、部材を取り出してヒートシンク材とし、そ
のレーザーフラッシュ法による熱伝導率、熱膨張係数及
びフライス盤による切削加工性を評価した。切削加工性
は、アルミニウム合金（ＡＣ３Ａ）加工時の加工速度と
遜色ないものを○とした。それらの結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】セラミックス基板の製造 窒化アルミニウム粉末９６部、イットリア粉末４部をボ
ールミルにて３０分予備混合し、オレイン酸１部を加え
更に３０分混合した。この混合物に、メチルセルロース
を８部加え、高速ミキサーにて１分間混合した後、グリ
セリン３部と水１２部の混合溶液をミキサーを撹拌させ
ながら加え、２分間混合して造粒物を得た。この造粒物
をロールにて混練した後、真空脱気を行いながら押出成
形機に投入し、グリーンシート形状に押し出した。次い
で、これを５８ｍｍ×４５ｍｍ×０．６３５ｍｍの大き
さに打ち抜き、８０℃×２０分乾燥後、空気中５００℃
で１時間加熱して結合剤を除去した後、還元雰囲気下、
１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼結を行っ
て、窒化アルミニウム基板を製造した。得られた窒化ア
ルミニウム基板の熱伝導率は１３０Ｗ／ｍＫ、抗折強度
は３７ｋｇ／ｍｍ² 、１５０℃空気中における体積抵抗
率は１×１０¹⁴Ω・ｃｍであった。

【００３２】回路基板Ａの作製 銀粉末７５部、銅粉末２５部、ジルコニウム粉末１５
部、テルピネオール１５部、及び有機結合剤としてポリ
イソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で
１部加え、混練してろう材ペーストを調製した。このろ
う材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板
の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８
ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００３３】次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板（厚
み０．３ｍｍ）を接触配置してから、真空度１×１０^-5
Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度９００℃で３０分加熱し
た後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造し
た。

【００３４】この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエ
ッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、
塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不
要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛
性ソーダ溶液で剥離して、片面に銅回路パターンを、ま
たその反対面にはベタ銅パターン（５７ｍｍ×４４ｍ
ｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を形成した。この銅回路パター
ン間には、残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミ
ニウム基板との反応物があるので、それを温度６０℃、
１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去
した。次いで、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）を施して
回路基板Ａを作製した。

【００３５】回路基板Ｂの作製 アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１０部、銅粉末
４部及び水素化チタニウム粉末１５部からなる混合粉末
１００部にテルピネオール１５部とポリイソブチルメタ
アクリレートのトルエン溶液を加え、混練してろう材ペ
ーストを調製し、それを上記で製造された窒化アルミニ
ウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）
は３．０ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００３６】次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニ
ウム板（純度９９．５％、厚み０．５ｍｍ）を接触配置
し、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度６
４０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却
して接合体を製造した。

【００３７】次いで、この接合体のアルミニウム板上に
ＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷
により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング
処理を行って、アルミニウム板不要部分とアルミニウム
回路間に存在する不要ろう材等を溶解除去し、更にエッ
チングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面
にアルミニウム回路、反対面にはベタアルミニウムパタ
ーン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を有す
る回路基板Ｂを作製した。

【００３８】回路基板Ｃの作製 回路基板Ｂの作製過程で製造された接合体（窒化アルミ
ニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合
体）の両面に、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）の施され
た厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式
の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の高真空下、６
３０℃×５分の条件で接合を行った。得られた接合体を
回路基板Ｂの作製と同様にしてエッチングし、窒化アル
ミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅
クラッド箔からなる回路、他方の面に同構造のクラッド
箔からなる放熱板を有する回路基板Ｃを作製した。

【００３９】ベース板の接合 表２に示すａ〜ｃによって、回路基板の放熱板にベース
板を接合した。

【００４０】

【表２】

【００４１】ヒートシンクの取り付け 表３に示す〜によって、回路基板の放熱板にベース
板を介して又は介さずにヒートシンクを取り付けた。

【００４２】

【表３】

【００４３】実施例１〜９ 比較例１ 回路基板の作製、ベース板の接合及びヒートシンクの取
り付けを、表４に示す種々の組合せによってヒートシン
ク付き回路基板を作製した。

【００４４】得られたヒートシンク付き回路基板のヒー
トサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒートサイクル試
験は、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分
間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃×１０分
間放置を１サイクルとして行い、回路基板１０枚のうち
少なくとも１枚が銅板剥離や、ヒートシンクとの界面で
破壊した等の不良が生じた最初のヒートサイクル回数を
測定した。それらの結果を表４に示す。

【００４５】また、実施例１〜９で得られた回路基板に
ついて、回路基板の放熱板又はベース銅板とヒートシン
クとの間に生成した接合層の組成をＥＰＭＡ（電子線マ
イクロアナライザー）により測定した。その結果、いず
れの接合層も、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕを含む合金層が３μｍ
程度、Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉを含む合金層が５μｍ程度、Ａ
ｌ−Ｎｉからなる合金層が８μｍ程度含まれていた。

【００４６】

【表４】

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、パワーモジュール用電
子回路部品として好適な、放熱性と耐ヒートサイクル性
に優れたヒートシンク付き回路基板を提供することがで
き、パワーモジュールの生産性が向上する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−363052（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−269575（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 49/00 - 49/14 H01L 23/373

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板の一方の面に回路、反
   対面に放熱板が形成されてなる回路基板の放熱板に、ベ
   ース板を介して又は介さずにヒートシンクが取り付けら
   れてなるものにおいて、上記ヒートシンクの材質が、シ
   リカアルミナ質繊維強化のアルミニウム又はアルミニウ
   ム合金であることを特徴とするヒートシンク付き回路基
   板。
2. 【請求項２】 ヒートシンクと、回路基板の放熱板又は
   ベース板とが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在
   する接合層を介して接合されてなるものであることを特
   徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。