JP4309522B2

JP4309522B2 - セラミック基板と金属放熱器の接合構造

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物系あるいは非酸化物系の各種セラミック部材と金属放熱器との取り付け構造に関するもので、特に電気自動車、ハイブリッド車、電車、エレベータ等のインバーター制御に用いられるＩＧＢＴをはじめとするパワーモジュール等発熱量の大きな電子部品の搭載に好適なセラミック基板と金属放熱器との接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のパワ−モジュ−ル用基板として、Ｎｉめっきを施したＣｕまたはＡｌにより形成された大型の金属放熱器をＳｎ−Ｐｂ系、Ａｇ−Ｓｎ系等のはんだもしくはシリコ−ングリ−ス、シリコ−ンオイル等の樹脂を用いて、セラミック基板の裏面に金属薄板を介して積層接合する方法が知られている。しかし上記はんだもしくは樹脂を用いた積層接合方法では、セラミック基板−金属薄板−はんだもしくは樹脂−金属放熱器というようにセラミック基板から金属放熱器までの熱抵抗が大きい、また樹脂を用いた場合には樹脂の熱伝導が悪いため放熱性に問題があり、セラミック基板と金属放熱器を直接接合する方法が検討されている。
【０００３】
この直接接合する方法として、図７に示すセラミック基板４０及び金属放熱器４１の材質としてアルミナ及びＣｕを用いた場合、セラミック基板４０と金属放熱器４１とを重ねた状態でこれらに荷重を加え、Ｎ₂雰囲気中で加熱するいわゆるＤＢＣ法（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）がある。または図８に示すセラミック基板４３と金属放熱器４４との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材４５の箔を挟んだ状態でこれらに荷重を加え、真空中で加熱するいわゆる活性金属法がある。
【０００４】
しかし、上記直接接合する方法では、セラミック基板４０と金属放熱器４１の熱膨張係数が異なるため、セラミック基板４０に反りを生じたり、熱サイクルによりセラミック基板４０に割れを生じたりするという問題点があった。
【０００５】
またその他の接合方法としては、図５に示す特公平０６−３３８５７７号公報に記載のようなセラミック基板２３と放熱器２１の間に非導電性の樹脂２２を介在させ金属ケース２９で圧接する方法がある。
【０００６】
この放熱構造を図５を用いて説明すると、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミック基板２３の上に、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ等の金属からなる電極２６を形成し、その上に半導体素子２５が載置されている。該セラミック基板２３は、樹脂からなる中間層２２を介して金属放熱器２１に密着固定されている。また半導体素子２５は、ボンディングワイヤ２８により回路導体２４に接続されている。また、セラミック基板２３には金属放熱器２１に形成された位置合わせ突起２７に符合するＵ字切り欠き３１が形成されており、ここで位置合わせして、樹脂からなる中間層２２により金属放熱器２１に密着固定されている。また、金属放熱器２１には、金属ケ−ス２９がセラミック基板２３を覆うように取り付けられており、金属放熱器２１に設けられたビス穴３０で固定されている。
【０００７】
また、図６に示すセラミック基板３５に金属薄板３６が直接接着され、この金属薄板３６に可塑性多孔質金属層３７を介して金属放熱器３８を積層接合する方法がある。この放熱構造は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミック基板３５の一方の面には回路基板３４が、他方の面にはＤＢＣ法による直接接合又は活性金属を含むろう材３９による接合にてＣｕ、Ａｌ等からなる金属薄板３６を積層接着する。該金属薄板３６には気孔率２０〜５０％のＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等からなる可塑性多孔質金属層３７を介してＣｕもしくはＡｌからなりセラミック基板３５と異なる熱膨張係数を有する金属放熱器３８が積層接着されている。可塑性多孔質金属層３７がセラミック基板３５と金属放熱器３８に発生する熱変形を吸収するので、セラミック基板３５に発生する反りやクラックを防止できる。また可塑性多孔質金属層３７に形成された気孔には金属層の側面からシリコ−ングリス、シリコ−ンオイル、エポキシ樹脂を充填することによりさらに熱伝導率が上がり、放熱特性の向上が見られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の放熱構造では、十分な冷却性能が得られず、また耐久性および信頼性に不安があるという問題があった。その為、１００Ａ以上の大電流を流すことを要求され、かつ−４０℃〜１５０℃の環境下で使用されるような場合、例えば環境汚染防止の視点から最近注目され開発が進んできた電気自動車やハイブリッドカーなどに使用されるインバーター用のパワーモジュールにおいては、搭載スペースの問題から小型高出力化が要求されており、チップの発熱量が増大するため、上述の方法では取り付けスペースが確保できない、十分な冷却性能が得られないとか、必要な出力が取り出せない等の問題があり、また耐久性および信頼性にも不安があった。
【０００９】
たとえば、図５の構造では、チップの発熱によるセラミック基板の反りによって樹脂材が剥離し放熱性が低下するおそれがあった。また、図６の構造ではセラミック基板３５と金属放熱器３８までの熱抵抗が大きいとか、また金属放熱器３８は可塑性多孔質金属層３７に接合してあるため接合部における未接合の割合が高く放熱性が悪いという問題があった。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は発熱量の大きなパワーモジュール用のセラミック基板と放熱器の接合構造において、チップの発熱によるセラミック基板の反りや割れを防止でき、かつ十分な冷却性能が得られるパワ−モジュ−ル用のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させるとともに、セラミック基板と金属放熱器の未接合部の面積比を１５％以下とすることにより、放熱特性の優れたパワーモジュールを形成するものである。
【００１３】
【作用】
本発明はセラミック基板と金属放熱器との接合層に所定の熱伝導率、厚みを持った接合材を用いることで、パワ−モジュ−ルの高出力化によりチップの発熱が激しくなり電極を構成する金属材料の温度が上昇し、セラミック基板との熱膨張差によりセラミック基板が金属放熱器に接触する面に凹状に反り返るような応力が働く場合でもその応力を吸収し放熱器との密着性を維持することが可能になった。
【００１４】
また本発明の接合構造によれば、高強度のセラミック基板を用いることでセラミック基板と金属放熱器との接合において、接合層を介して直接接合することができるので、従来構造に比べ構造の簡略化が可能となり、また熱伝導の良い接合層を用いることで、チップ表面から金属放熱器までの熱抵抗の低減及び省スペ−ス化が可能になった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１６】
図１〜３に本発明の金属放熱器とセラミック基板との取り付け構造の一例を示す。
【００１７】
半導体素子１は、はんだ層２を介してセラミック基板４上に形成された電極３と接合されており、セラミック基板４は接合層５を介して金属放熱器６に接合されている。自動車用のパワ−モジュ−ルなど振動がかかる状態で使用する場合には組み付け金具７及びねじ８により少なくとも２カ所以上で固定することが望ましい。
【００１８】
接合層５としては、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材質を用い、厚みを２０μｍ〜３００μｍとする。これは接合層５の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の場合には、放熱性が低いため、良好な放熱性を得られないためである。
【００１９】
また、接合層５の厚みが２０μｍ未満の場合は初期では良好であるが、熱サイクル試験後に温度上昇が認められる、これは接合層５が薄いために耐久時の摩擦による接触状態の変化を十分に吸収できなかったためと考えられる。これに対し、接合層５の厚みが２０μｍ以上であれば、熱サイクル試験後に温度上昇の変化は無く放熱性は安定しているが、接合層５の厚みが３００μｍを超えると、接合層５が放熱性を阻害する傾向があり逆に放熱性が低下する。接合層５の厚みとしては、５０〜２００μｍ程度が望ましい。
【００２０】
また、上記接合層５によるセラミック基板４と金属放熱器６との接合面において、未接合部の面積比を１５％以下とする。この面積比が１５％を越える場合には、未接合部の放熱性が悪くまた未接合部分が局所発熱して温度が上昇してしまう。このため、セラミック基板４と金属放熱器６との接合面における未接合部の割合は１５％以下にする必要がある。
【００２１】
この未接合部の割合を１５％以下にするには、セラミック基板４と金属放熱器６の接合面に接合層５に使用するろう材と濡れの良いメッキを形成するとよい。金属の表面は酸化されやすく、表面に酸化皮膜が形成されると、ろう材との濡れが悪くなる。前記メッキ層の形成方法および管理方法が重要である。
【００２２】
なお、セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態はクロスセクションによる断面ＳＥＭの観察もしくは超音波探傷法により未接合部の面積比を測定する方法などで評価する。
【００２３】
また接合層５は、自動車用のパワーモジュールなど使用環境によって−４０℃〜１５０℃の冷熱環境下に長時間さらされることを想定した場合、樹脂などを接合層５に用いると、冷熱時のセラミック基板４と放熱器６の熱膨張差による応力により、固定部が剥離して接触状態が変化し放熱性が低下する事がある。同時に、接合層５はパワ−モジュ−ルの高出力化により半導体素子１の発熱が激しくなり、電極３の温度が上昇し、セラミック基板４との熱膨張差によりセラミック基板４が金属放熱器６に接触する面に凹方向に反るような応力が働く場合でも、その応力を吸収し金属放熱器６との密着性を維持しなければならないため、接合層５は高熱伝導性であると共に、接触状態が変化しない材質でなければならない。
【００２４】
この為、前記接合層５を構成する物質としては、高熱伝導で接合層自体が柔らかい材質、すなわちＩｎ又はＩｎを１５体積％以上含む、例えばＩｎ−Ｐｂ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｕ、Ｉｎ−Ａｇ等のＩｎ系の合金であるか、またはＡｌ−Ｓｉ系のろう材でろう材自体のヤング率が７５ＧＰａ以下の材質が適当である。
【００２５】
Ｉｎの比率が１５体積％未満の場合、長期使用時に接合層５の断面観察において接合層５にクラックが発生していることが確認された。これは、合金中に占めるＩｎの比率が少ないため接合層５（ろう材）が硬く熱サイクルをかけた際、セラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力を緩和しきれず接合層５にクラックが発生する。そのため、接合層５においてＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いる場合には、Ｉｎの比率は１５体積％以上にする必要がある。また、好ましくはＩｎ自体の融点が低いことよりＩｎの比率としては２０％〜５０％程度が望ましい。
【００２６】
セラミック基板４の放熱性の評価は、従来の接合層５のないパワーモジュールの放熱性を基準にして、半導体素子１の温度の増減率で評価した。また、耐久性の評価は、サンプルを−４０℃／３０分〜１５０℃／３０分の熱処理を１０００サイクル実施し、放熱性は同様に半導体素子１の温度の増減率で評価した。また半導体素子１の発熱量に対する影響を調べる際は、半導体素子１の代わりにセラミックヒータチップ１０を設置し、セラミックヒータチップ１０への印加電圧を上げることにより、発熱量が増大した場合の影響を評価した。
【００２７】
また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いた場合には、ろう材自体の熱伝導が高いため、初期及び耐久後共に良好な放熱特性を示す。しかしながら、耐久後の断面の観察を行うと、接合層（ろう材）のヤング率が７５ＧＰａ以上の場合にはクラックが発生する。このためろう材自体のヤング率は７５ＧＰａ以下にする必要がある。
【００２８】
前記接合層５の接合方法としては、接合層５の材質のブレージングシートをセラミック基板４と金属放熱器６の間に載置し熱処理を行う方法、または接合層５の材質の粉末を溶剤と混合したものを、プリントやスプレー塗布によりセラミック基板４の裏面もしくは金属放熱器６の接触面のうち、片方もしくは両方の面に形成し、その後熱処理を行い接合層５を形成する方法等がある。セラミック基板４と金属放熱器６の接合面は接合に用いている材料のぬれ性により必要に応じて表面処理を行う必要がある。
【００２９】
振動がかかる状態で使用する場合には、組み付け金具７及びねじ８により少なくとも２カ所以上で固定することが望ましい。この場合のセラミック基板４と金属放熱器６の圧接固定は、図１に示すようなセラミック基板４の対向する辺の二カ所以上を組み付け金具７等で押さえるようにして、ワッシャ９を介してねじ８で締め付けて固定したり、図２に示すようなセラミック基板４に穴加工を施して、直接ねじ止めするなどの方法で固定したり、また、ねじ８の代わりにバネ材等で加圧固定しても良い。
【００３０】
セラミック基板４の厚みが０．５ｍｍ以下の場合には組付けの際にクラックや割れが生じ、３．０ｍｍ以上の場合には放熱性を阻害する。このためセラミック基板４の厚みは０．５〜３．０ｍｍが望ましい。
【００３１】
また、セラミック基板４裏面の表面粗さ（Ｒａ）は接合層５の接合状態を阻害しないために、１０μｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
さらに、実装された半導体素子１の発熱量が大きい場合など、その熱により電極部材３とセラミック基板４との熱膨張差により金属放熱器６側が凹になるように反る場合があるため、図３に示すようにあらかじめセラミック基板４を金属放熱器６側が凸になるように平坦度を調整することが好ましい。
【００３３】
平坦度の調整方法としては、電極３の形成を終えた基板４の裏面を研磨する方法、電極３の形成前に基板４の裏面を平坦に研磨し、電極３の厚みや幅、長さなどの寸法を調整し基板４への接合時の応力で反らす方法などがある。
【００３４】
平坦度は、セラミック基板４に対し０．１〜３μｍ／ｍｍに調整することが好ましく、０．１μｍ／ｍｍ未満では発熱時の反りを吸収出来ず密着性が損なわれ放熱性が低下する。また、３μｍ／ｍｍ以上では組付けの際にセラミック基板４にクラックや割れが発生する場合がある。
【００３５】
本発明に使用されるセラミック基板４としては、良好な放熱性を示すために熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが適している。熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の場合には、セラミック基板４の熱伝導が悪く放熱性が著しく劣るため、セラミック基板４上の半導体素子１の温度が上昇しセラミック基板４に反りが発生する。
【００３６】
また、セラミック基板４の曲げ強度については、圧接組付け性に影響を与えるため４００ＭＰａ以上のものが適当である。４００ＭＰａ未満の場合、接合層５にてセラミック基板４と金属放熱器６を接合した後、組み付け金具７及びねじ８にて固定を行う際に、セラミック基板４の強度が低いため、ねじ締め部にクラックが発生する。
【００３７】
また、圧接組み付け時に適度にたわみ矯正されることが必要であるため、ヤング率４００ＧＰａ以下が適当である。４００ＧＰａを超える場合、接合層５にてセラミック基板４と金属放熱器６を接合後、組み付け金具７及びねじ８にて固定を行う際、セラミック基板４のたわみが少ないためにクラックが発生する。このような特性を示すセラミックスとして、周期律表第３ａ族元素酸化物の中の少なくとも１種類以上を主焼結助剤とする、窒化アルミニウム質セラミックスあるいは窒化珪素質セラミックスがある。
【００３８】
セラミック基板４表面に形成される電極３の材料としては、銅、アルミニウム等の低抵抗、高熱伝導で比較的軟質な金属をベースにしたものが望ましい。セラミック基板４との接合方法としては、それらの板を活性金属法などによりセラミック基板４に直接接合する方法や、それらの粉末を適当なバインダーと混合してペースト状に調整したものを、プリントやディスペンサーによってセラミック基板４の上に形成した後、予めセラミック基板４に一体焼結させたタングステンメタライズにニッケルめっきを施した面上に、さらに銅、アルミニウム等の厚膜を形成し、不活性、還元、もしくは真空雰囲気で焼き付けを行って接合する方法などがある。必要に応じて電極３にはニッケルめっき、金めっき等の表面処理が施される。
【００３９】
また、電極３上への半導体素子１の実装は、はんだ２を介して電極３上に接合される。そして、セラミック基板４と金属放熱器６の組付けは、良好で安定な放熱性を確保する必要から、高熱伝導性の物質を接合層５として介在させる。
【００４０】
図３は、本発明のセラミック基板４と金属放熱器６の接合構造の他の実施形態を示す図である。図１および２に示した試料との差は、セラミック基板４に、金属放熱器６との接合面側が凸となるような反りを予め形成している点である。これにより、ねじ８による締め付け時にセラミック基板４の中心部が金属放熱器６に有効に密着するようにしている。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明のセラミック基板を評価するための構造を、図４を用いて説明する。
【００４２】
セラミック基板４の一方の面上には、電極３が形成されはんだ層２を介してセラミックヒータチップ１０が形成されている。セラミックヒータチップ１０には、陽極電線１２および陰極電線１３が接合され、これらからの電力供給により発熱量を調整する。また、セラミックヒータチップ１０の上には熱電対１１が設置され、放熱特性をこれにより評価する。
【００４３】
また、セラミック基板４のもう一方の面には、金属放熱器６が接合層５を介してねじ８による締め付け力で密着されている。ねじ８とセラミック基板４の間には、ねじ８の片当たりを防止するためワッシャ９が挿入される。
【００４４】
以下、実施例において、この図４に示される構造のパワーモジュールを用いて評価した。
【００４５】
実施例１
窒化アルミニウムを主成分として、主焼結助剤に酸化エルビニウム、添加剤に窒化チタンの粉体を、適当な有機系バインダーを加えてスラリー状に調整し、ドクターブレード法によりシート状に成形したものを必要な厚さに積層し、脱脂工程を経て、１７００〜１８５０℃の範囲で１時間以上焼成し、焼結体を得た。その後、反り量調節のため焼結体を研磨しセラミック基板４とした。
【００４６】
電極３については、粒径１〜５０μｍのＣｕ粉末を粒度配合し適当なバインダーを加えて顆粒状に調整したのちプレス法により電極パターンを成型し、脱脂工程を経て６００〜１０００℃で焼成を行い電極３の焼結体とした。
【００４７】
セラミック基板４と電極３の接合は、セラミック基板４に活性金属（Ｔｉ）入りのろう材（Ａｇ−Ｃｕ系）をプリントし、ろう材上に電極３を載置した後、真空炉にて７８０〜８５０℃の範囲で５分以上焼き付けを行い接合した。
【００４８】
上記の方法で作製したセラミック基板４を用いて、半導体素子１の代わりに発熱量調整の容易なセラミックヒータチップ１０をはんだでセラミック基板４の電極３上に実装して評価した。セラミックヒータチップ１０表面には熱電対１１を設置し、セラミックヒータチップ１０に所定の電圧を印加しながら、表面温度を計測し、基準とする従来の接合層５なしの条件と比較して、その温度の増減率で放熱性を評価した。
【００４９】
またセラミック基板４と金属放熱器６との接合については、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いる場合は、セラミックヒータチップ１０実装前にブレ−ジングシート状のろう材をセラミック基板４と金属放熱器６の間に載置し、真空炉にて５８０〜６２０℃の間にて焼き付けを行い接合した。ＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いて接合する場合は、Ｉｎの特性（融点が低い）上、セラミックヒータチップ１０実装後にＡｌ−Ｓｉ系のろう材と同様に、ブレージングシートを用いて真空炉にて２００〜３００℃で熱処理を行い接合した。
【００５０】
また、当該サンプルを−４０℃／３０分〜１５０℃／３０分の熱処理を１０００サイクル実施後に再度放熱性を評価した。またセラミックヒータチップ１０への印加電圧を上げることにより、発熱量が増大した場合の影響を同様の方法で評価した。
【００５１】
評価は、従来品として、接合層５は厚み２０μｍのシリコ−ン樹脂、セラミック基板４は厚み１．５ｍｍ、熱伝導率＝１００Ｗ／ｍ・Ｋ、平坦度＝０μｍ／ｍｍ、Ｒａ＝５μｍのもの、金属放熱器６は厚み２０ｍｍのアルミニウムを用い、セラミックヒータチップ１０の温度を基準として、各々の評価はこの基準温度に対する増加率で表し、初期の放熱特性については前述の基準温度以下、また耐久後の放熱特性については初期に対し増加率５％未満を適正値とした。セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態は、クロスにて断面ＳＥＭの観察もしくは超音波探傷法による未接合部の面積％の測定を行った。
【００５２】
表１に接合層５の熱伝導に関する評価結果を示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
表１に示すように、接合層５が無いＮｏ．１は、初期でも５％の温度上昇があり、更に耐久後に１４％の温度上昇が認められた。初期での温度上昇は均一な接触が得られず放熱性が阻害されている為である。また耐久後に更に温度上昇しているのは冷熱環境下でセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による摩擦により接触状態が変化し放熱性が低下したためである。
【００５５】
接合層５がある場合、従来構造であるシリコ−ン樹脂を用いたＮｏ．２では、初期では良好であるが、耐久後には５％の温度上昇が認められる。これはシリコーン樹脂のＳｉ成分が温度サイクル時に一部ＳｉＣに変化し、放熱器の表面を傷つけ接触状態が変化し、またセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力で接触状態が変化し、放熱性が低下したためである。
【００５６】
また、接合層５の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるＮｏ．３〜５は、初期の放熱性はシリコ−ン樹脂と同等であり、耐久後２〜５％の温度上昇がみられるので好ましくない。一方、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｏ．６〜１２は、初期の放熱性が３％以上向上する。
【００５７】
実施例２
図示しないが、接合層５の材質に純Ｉｎを用い厚みが５〜４００μｍになるようにして接合を行った。この接合層の材質及び厚み以外は実施例１と同様にして評価サンプルを作製した。
【００５８】
表２に接合層５の厚みに関する評価結果を示す。
【００５９】
【表２】

【００６０】
表２に示すように、接合層５の厚みが２０μｍ以下のＮｏ．１４、１５は、初期の放熱性は良好であるが、耐久後には温度上昇が認められる。これは接合層５が薄いために耐久時の摩擦による接触状態の変化を十分に吸収できなかったためと考えられる。
【００６１】
これに対し、接合層５の厚みが２０μｍ以上であるＮｏ．１６〜１９は、初期、耐久後共に温度上昇の変化が無く放熱性が安定している。ただ、接合層５の厚みが３００μｍ以上のＮｏ．２０、２１は、接合層５が放熱性を阻害する傾向があり逆に放熱性が低下する。接合層５の厚みとしては、５０〜２００μｍ程度が望ましい。
【００６２】
実施例３
図示しないが、セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態すなわち未接合部の割合を変化させ、他は実施例１と同様にして評価用のサンプルを作製した。評価については発熱量が増大した場合の影響をみる為に、セラミックヒータチップ１０の発熱量を１０％増加させ、従来構造であるシリコーン樹脂にて接合を行ったセラミックヒータチップ１０の基準温度に対する温度の増加率を評価した。初期の放熱特性については前述の基準温度以下、また耐久後の放熱特性については初期に対し増加率５％未満を適正値とした。また非接触の放射温度計を用いセラミックヒータチップ全体の温度分布を計測し、局所発熱の有無も同時に評価した。
【００６３】
【表３】

【００６４】
表３に示すように、未接合部の割合が高いＮｏ．２８〜３１は、熱伝導が低くなるため放熱性が低下すると共に未接合部が局所発熱の状態になり、温度が上昇してしまうので好ましくない。これに対し、セラミック基板４と金属放熱器６の接合面における未接合部の割合が１５％以下であるＮｏ．２３〜２７は、良好な放熱性を示した。
【００６５】
実施例４
図示しないが、実施例４では接合層５に用いるＩｎ−Ｐｂ合金ろう材中のＩｎ比率を変更し、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し放熱性を評価した。なお、セラミックヒーターチップ１０の発熱量については１０％増加した状態にて放熱性を評価し、さらに耐久後の接合層５をクロスセクションして断面を観察し、クラックの発生の有無を調べた。
【００６６】
【表４】

【００６７】
表４に示すようにＩｎの比率が１５体積％以下にしたＮｏ．３２〜３４は、初期および耐久後の放熱特性は従来品であるシリコ−ン樹脂のタイプに比べ向上が見られる。しかしながら接合層５の断面を観察すると、接合層にクラックが発生していた。これは合金中に占めるＩｎの比率が少ないため接合層５として用いたろう材が硬くなり、熱サイクルをかけた際にセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力を緩和しきれず、接合層５にクラックが発生したものと推定する。このため、合金中に占めるＩｎの割合は少なくとも１５体積％以上にする必要がある。なお、接合層５にＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いる場合は、Ｉｎ自体の融点が低いのでＩｎの比率は２０％〜５０％程度とすることが望ましい。
【００６８】
実施例５
図示しないが、実施例５では接合層５に用いるろう材のヤング率を変化させ、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し放熱性を評価した。
【００６９】
【表５】

【００７０】
表５に示すように、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いたＮｏ．４１〜５５は、ろう材自体の熱伝導が高いため、全ての組成系において初期及び耐久後共に放熱特性が向上した。しかしながら耐久後の断面の観察を行うと、ろう材のヤング率が７５ＧＰａを越えるＮｏ．４６〜４８、５３〜５５はクラックが発生していることが確認された。これに対しろう材のヤング率が７５ＧＰａ以下であるＮｏ．４１〜４５、４９〜５２は接合層５にクラックは発生せず良好であった。
【００７１】
実施例６
図示しないが、セラミック基板４の厚み、平坦度、表面粗さを変化させ、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し、放熱性およびねじ８の締め付け性を評価した。
【００７２】
【表６】

【００７３】
表６に示したように、セラミック基板４の厚みが０．３ｍｍのＮｏ．５６は、締め付け時にセラミック基板４にクラックが発生した。また、セラミック基板４の厚みが４ｍｍのＮｏ．６０は、放熱性が低下するので好ましくない。これに対し、セラミック基板４の厚みを０．５〜３ｍｍにしたＮｏ．５７〜５９は、締め付け性も良好であった。
【００７４】
また、平坦度が０μｍ／ｍｍのＮｏ．６１は、締め付け時の密着性が低下し、放熱性が低下した。また、平坦度が４〜５μｍ／ｍｍのＮｏ．６６、６７は、締め付け時にセラミック基板４にクラックや割れが発生した。これに対し、平坦度が０．５１〜３μｍ／ｍｍであるＮｏ．６２〜６５は、クラックや割れは発生しなかった。
【００７５】
さらに、セラミック基板４の表面粗さＲａを１５、２０μｍとしたＮｏ．６９、７０は、放熱性が低下した。これに対し、表面粗さＲａが１０μｍ以下であるＮｏ．６８、５８は、良好な放熱性を示した。
【００７６】
すなわち、セラミック基板４の厚みについては０．５〜３ｍｍが好ましく、平坦度は０．５〜３μｍ／ｍｍであることが好ましく、また、表面粗さＲａは１０μｍ以下であることが好ましいことが判る。
【００７７】
そして、これらは半導体素子をはんだ実装する場合でも同等の効果が得られることは言うまでもなく、その他、放熱性、伝熱性の必要な場合において幅広く応用可能な接合方法であることは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させたことによって、パワ−モジュ−ルの高出力化による半導体素子の発熱量の増加のために、構成する金属材料の温度が上昇し、セラミック基板と金属材料との熱膨張差による剥離応力が働く場合でも、その応力を吸収し放熱器との密着性を維持することが可能になる。
【００７９】
これにより、セラミック基板上に実装された半導体素子の発熱を効率よく安定的に放熱することができ、半導体素子の信頼性向上に役立つことができる。
【００８０】
また、高出力化や取り付けスペースの制約などから更に大きな発熱を伴う場合においても、セラミック基板の厚み、反り量、表面粗さを制御することにより、高い放熱性能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造の他の実施形態を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示す断面図である。
【図４】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を評価するための実施形態を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有するパワ−モジュ−ル用基板の断面図である。
【図７】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有する半導体回路基板の断面図である。
【図８】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有する半導体回路基板の断面図である。
【符号の説明】
１：半導体素子
２：はんだ層
３：電極
４：セラミック基板
５：接合層
６：金属放熱器
７：組み付け金具
８：ねじ
９：ワッシャ
１０：セラミックヒータ
１１：熱電対
１２：陽極電線
１３：陰極電線

Claims

一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させており、接合面における未接合部の面積比が１５％以下であり、上記接合層がＩｎまたはＩｎを１５体積％以上含むＩｎ系の合金であることを特徴とするセラミック基板と金属放熱器の接合構造。
一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させており、接合面における未接合部の面積比が１５％以下であり、上記接合層がヤング率７５ＧＰａ以下のＡｌ−Ｓｉ系のろう材であることを特徴とするセラミック基板と金属放熱器の接合構造。
上記セラミック基板の厚みが０．５〜３．０ｍｍであり、上記金属放熱器を接合する面の平坦度が０．１０〜３μｍ／ｍｍであり、かつ表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍ以下あることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック基板と金属放熱器の接合構造。
上記セラミック基板が、熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、強度４００ＭＰａ以上、ヤング率４００ＧＰａ以下の窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素質セラミックスであることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック基板と金属放熱器の接合構造。