JP6619277B2

JP6619277B2 - 放熱用部材およびこれを用いたモジュール

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Publication number: JP6619277B2
Application number: JP2016063281A
Authority: JP
Inventors: 章雄湯口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017183314A

Description

本発明は、放熱用部材およびこれを用いたモジュールに関する。

近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、半導体素子等を含む電子回路等から発生する熱量が増加している。この熱を効率よく放散させるため、良好な熱伝導を有するセラミックス基板上に、例えば銅板等の導体層が接合された放熱用部材が用いられている。

半導体素子等の電子回路は、このような放熱用部材の導体層の表面に、直接あるいはＮｉメッキ等の接合層を介して実装されてモジュール化されている。このようなモジュールは、溶接機、電車の駆動部、電気自動車や燃料電池等に用いられており、比較的高温雰囲気の厳しい環境条件下における耐久性と更なる小型化が要求されている。

下記特許文献１には、高温環境化での耐久性を向上させることを目的とし、セラミック基板と導体層との熱膨張差に起因する熱応力を抑制するために、銅板の端部に薄肉部を形成した放熱用部材が記載されている。

特開平０１−５９９８６号公報

特許文献１の放熱用部材では、銅板の周辺全体にわたって、半導体素子等が実装される側の表面が凹んだ薄肉部が形成されている。この薄肉部には半導体素子等は実装できないため、半導体素子等の面積に対して、導体層およびセラミック基板の面積が薄肉部の分だけ全体的に大きく、かつセラミック基板の面積も対応して大きくなり、全体として大型になってしまうという課題があった。このように従来の放熱用部材では、小型化と、熱応力の抑制による耐久性に向上を同時に実現することが困難であった。本発明は上記課題を解決することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る放熱部材は、絶縁性基板と、該絶縁性基板上に位置する導電板とを備える放熱用部材であって、前記導電板は、前記絶縁性基板と対向する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有し、正面視における前記第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、前記辺部における中央部分である第２領域の厚みが、該第２領域以外である第２の他の領域の厚みより薄く、前記第２領域と前記角部との間に前記第２の他の領域が位置していることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る放熱部材は、絶縁性基板と、該絶縁性基板上に位置する導電板とを備える放熱用部材であって、前記導電板は、前記絶縁性基板と対向する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有し、正面視における前記第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、前記角部を含む第１領域の厚みおよび前記辺部における中央部分である第２領域の厚みが、前記第１領域および前記第２領域以外の第３の他の領域の厚みより薄く、前記第２領域と前記角部との間に前記第３の他の領域が位置していることを特徴とする。

また、上述したいずれかの本実施形態の放熱用部材と、前記導電板の前記他方主面に搭載した電子部品とを有することを特徴とするモジュールを併せて提供する。

本実施形態の放熱用部材は、小型化に対応できる構造であるとともに、熱応力の集中が少ないため耐久性が高い。

本実施形態に係る放熱部材の一例を示す概略図であり、（ａ）は概略上面図、（ｂ）は概略側面図である。（ａ）は図１に示す放熱部材の一部を切り出した状態の概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。図１および図２に示す放熱部材の一部を拡大して示す断面図である。三次元モデルを用いてシミュレーションした熱応力分布を示す図であり、（ａ）は従来の放熱用部材についてのシミュレーション結果を示す図、（ｂ）は（ａ）のモデルのうち絶縁性基板のみを示した図、（ｃ）は図１〜図３に示す本実施形態についてのシミュレーション結果を示す図、（ｄ）は（ｃ）のモデルのうち絶縁性基板のみを示した図である。（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本実施形態に係る放熱部材の他の例を示す部分拡大斜視図である。（ａ）〜（ｅ）は、図１〜図３に示す放熱部材の製造方法の一例について説明する概略断面図である。

第１実施形態に係る放熱部材は、絶縁性基板と、この絶縁性基板上に位置する導電板とを備える。そして、導電板は、絶縁性基板と対向する第１面と、この第１面の反対に位置する第２面とを有し、正面視における第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、角部を含む第１領域の厚みが、第１領域以外である第１の他の領域の厚みより薄い。第１実施形態に係る放熱部材は、上記構成を満たしていることにより、小型化に対応できる構造であるとともに、熱応力の集中も比較的少なく耐久性が高い。

第２実施形態に係る放熱部材は、絶縁性基板と、この絶縁性基板上に位置する導電板とを備える。そして、導電板は、絶縁性基板と対向する第１面と、この第１面の反対に位置する第２面とを有し、正面視における第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、辺部における中央部分である第２領域の厚みが、第２領域以外である第２の他の領域の厚みより薄い。第２実施形態に係る放熱部材は、上記構成を満たしていることにより、小型化に対応できる構造であるとともに、熱応力の集中も比較的少なく耐久性が高い。なお、第１実施形態および第２実施形態に係る放熱部材については、図５を用いて後述する。

第３実施形態に係る放熱部材について、図を用いて詳細に説明する。なお、上記記載と同じ構成名称の部分は、同じ作用効果を奏するものである。

図１は、第３実施形態に係る放熱部材の一例を示す概略図である。図１（ａ）は、放熱
部材の概略上面図、図１（ｂ）は放熱部材の概略断面図である。また、図２（ａ）は、図１に示す放熱部材の一部を切り出した状態の概略斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の部分拡大図である。また図３は、図１および図２に示す放熱部材の一部を拡大して示す断面図である。なお、以下の記載において、第１〜第３実施形態に共通する場合、「本実施形態」と記載する。

放熱部材２０は、絶縁性基板２と、絶縁性基板２上に位置する導電板４とを備える。そして、導電板４は、絶縁性基板２と対向する第１面４Ｂと、第１面４Ｂの反対に位置する第２面４Ａとを有し、正面視における第１面４Ｂの輪郭が、複数の角部４２と複数の辺部４１とを有する多角形状であり、角部４２を含む第１領域４αの厚みおよび辺部４１における中央部分である第２領域４βの厚みが、第１領域４αおよび第２領域４β以外の他領域４γ（第３の他の領域）の厚みより薄い。

導電板４は、図３において、接合層６を介して絶縁性基板２と接合されている例を示しているが直接接合されるものであってもよい。また、導電板４の形状（第１面４Ｂの輪郭）は上面視で四角形状である。さらに、導電板４は、４つの辺部４１と、互いに直交する２つの辺部４１の間に配置された、合計４つの角部４２を有している。ここで、導電板４は、例えば、図１における縦寸法が３６ｍｍ、図１における横寸法が４８ｍｍである。角部４２は、２つの辺部４１が当接する頂点を含み、上述した大きさの導電板４において、例えばこれら頂点を中心とした半径１ｍｍの円周で囲まれた範囲に対応する。第１領域４αは、上面視において、２つの辺が直交する直角二等辺三角形状となっている。上述した大きさの導電板４において、直交する２つの辺における長さは、例えば３．５ｍｍである。また、辺部４１における中央部分である第２領域４βは、例えば、辺部４１の中心位置Ｃを中心とした半径１５ｍｍの範囲に含まれる。図１（ａ）および図２（ａ）に示す例において、第２領域４βは、上面視において、部分円弧と直線とで囲まれた部分円形状となっている。導電板４の形状や大きさ、第１領域４αおよび第２領域４βの形状や大きさは、上述した例に限定されない。

第３実施形態では、第１領域４αの厚み、および第２領域４βの厚みが、他の領域である他領域４γ（第３の他の領域）に比べて薄いため、第１領域４αおよび第２領域４βに発生する、絶縁性基板２と導電板４との熱膨張の違いに起因した熱応力が低減されている。また、熱応力の低減により、対応部分の剥がれも抑制されている。

一方で、第１領域４αおよび第２領域４β以外の他領域４γは比較的厚く、この他領域４γの全体を、半導体素子等の電子回路の実装可能領域とすることができる。本実施形態の放熱部材２０は、熱応力の生じる領域（第１領域４αや第２領域４β）のみにおいて、熱応力が低減可能とされており、半導体素子等の電子回路の実装可能領域を有する構造であることから、放熱部材２０の小型化に対応することができる。

放熱部材２０は、角部４２を含む第１領域４αおよび中心位置Ｃを含む第２領域４βにおいて、比較的大きな熱応力が発生する。これについて、図４を用いて説明する。

図４は、三次元モデルを用いてシミュレーションした熱応力の分布を示す図であり、（ａ）は従来の放熱用部材についてのシミュレーション結果を示す図、（ｂ）は（ａ）のモデルのうち絶縁性基板のみを示した図、（ｃ）は図１〜図３に示す放熱部材についてのシミュレーション結果を示す図、（ｄ）は（ｃ）のモデルのうち絶縁性基板のみを示した図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）に示す従来の放熱用部材と、第３実施形態の放熱部材との差異は、第１領域の有無である。

図４（ａ）〜（ｄ）では、角部を含む領域の一部を示している。図４（ａ）〜（ｄ）は
、いわゆる有限要素法（ＦＥＭ）による解析結果であり、図４（ａ）や（ｃ）に示す有限要素モデルについて、全体を所定温度Ｔ（℃）から、Ｔ−１００（℃）まで変化させた状態での、応力を示している。なお、図４では、角部を含む領域の一部において、温度を低減させた場合に集中する応力の分布を示している。

図４（ａ）に示すような、角部に薄肉部を有さずに全体が一様な厚さの導電板をもつモデルでは、図４（ａ）（ｂ）で、角部に対応する部分の色が濃くなっていることから、角部を含む部分で絶縁性基板に大きな熱応力が集中してかかっていることがわかる。一方、図４（ｃ）に示す第３実施形態の放熱部材を再現するモデルでは、図４（ｄ）からわかるように、角部への応力集中が緩和されている。局所的に大きな応力が発生すると、そこが起点となり、導電板の剥がれや絶縁性基板の割れ等が進展し易い。第３実施形態の放熱部材は、角部を含む第１領域の厚みが他の領域よりも薄いことから、このような応力集中が抑制されるため、放熱部材２０の全体的な耐久性が向上している（第１実施形態でも同様）。

また、図示していないが、辺部の中心部分にあたる第２領域についても同様のシミュレーションを実施し、第２領域に応力が集中してかかることを確認している。なお、第２領域では、特に温度を上昇させていった場合に、応力が集中し易い。本実施形態の放熱部材は、温度が上昇することで生じる熱応力も、温度が下降することで生じる熱応力も、いずれも緩和することができる。

本実施形態では、第１領域４αおよび第２領域４βと他領域４γ（第３の他の領域）とは段差部５０（第３段差部）を有しており、段差部５０と他領域４γとが曲線状に繋がっていてもよい。このような構成について図３を用いて説明する。段差部５０と他領域４γとが曲線状に繋がっているというのは、図３に示すような断面視において、段差部５０と他領域４γとの間の第２接続部５２が曲線状であることをいう。また、段差部５０、第１領域４αおよび第２領域４βの少なくともいずれか一方とも曲線状に繋がっていてもよい。この構成は、図３に示すような断面視において、段差部５０と第１領域４αおよび第２領域４βとの間の第１接続部５１が曲線状であることをいう。

図４（ｃ）から分かるように、第１接続部５１や第２接続部５２には、比較的大きな応力が集中し易い。これら第１接続部５１や第２接続部５２を断面視で曲線状としておくことで、これら第１接続部５１や第２接続部５２への応力集中の度合いを緩和でき、応力集中にともなう導電板４自体の劣化も抑制している。なお、第１領域４αおよび第２領域４βの双方に設けられていることが好ましいが、これに限定されず、第１領域４αまたは第２領域４βのいずれか一方のみに対応して設けられていてもよい。

絶縁性基板２は、例えば窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とするセラミックス基板である。絶縁性基板２としては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）以外にも、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を主成分とするセラミックス基板であってもよく、要求される伝熱特性や熱膨脹係数の多少に応じて、適宜選択した材質で構成すればよい。本実施形態では、絶縁性基板２の厚みが、例えば０．２〜１ｍｍである。

また、接合層６としては、例えばいわゆるＡｇ-Ｃｕ-Ｔｉろう材等を用いればよい。例えば重量％でＣｕを１５〜５０％、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを用いればよい。接合層６の厚みは、例えば０．００５〜０．０５ｍｍである。

導電板４は、例えば銅（Ｃｕ）を主成分とする金属板からなる。この金属板は、平面視
において所定形状にパターニングされており、複数の部分に分割されている。なお、接合層６は必ずしも備えている必要はなく、例えば、銅からなる導電板４とセラミックスからなる絶縁性基板２とが、いわゆる直接接合法によって接合されていてもよい。例えばセラミックス基板上に銅板を、Ｃｕ−Ｃｕ_２Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）を用いればよい。

本実施形態では、導電板４と接合層６との合計の厚さＴは、例えば０．４５〜１．５ｍｍである。また、図３に示す第１領域４αまたは第２領域４βの幅Ｂは例えば１〜５ｍｍであり、第１領域４αまたは第２領域４βの高さＨは例えば０．０５〜０．３ｍｍである。各数値が上記範囲にある場合、応力集中が緩和され易く、応力による放熱部材２０の損傷が抑制し易い点で好ましい。

図５（ａ）は、第１実施形態に係る放熱部材であり、図５（ｂ）は、第２実施形態に係る放熱部材である。図５では、図１〜３に示す実施形態と同様な部分について、図１〜３と同じ符号で表し、図５（ａ）に示す放熱部材に「２１」、図５（ｂ）に示す放熱部材に「２２」の符号を付している。

図５（ａ）に示す放熱部材２１は、図１〜図３に示す第３実施形態と比較して、第２領域４βを有さない点で異なっている。また、図５（ｂ）に示す放熱部材２２は、図１〜図３に示す第３実施形態と比較して、第１領域４αを有さない点で異なっている。放熱部材２１および放熱部材２２は、小型化に対応できる構造であるとともに、熱応力の集中も比較的少なく耐久性が高い。そして、放熱部材２１は、比較的低温で使用されるデバイス等に用いることが好適であり、放熱部材２２は、比較的高温で使用されるデバイス等に用いることが好適である。

また、放熱部材２１および放熱部材２２は、第１領域４αまたは第２領域４βを有しておらず、導電板４の上面視における面積が同じである場合、第３実施形態の放熱部材２０よりも半導体素子等の電子回路の実装可能領域が大きいため、大きい半導体素子の実装が可能となる。

言うまでもないが、放熱部材２１および放熱部材２２においても、第１領域４αと他領域４γ、第２領域４βと他領域４γは、曲線状に繋がっていることが好適である。

次に、放熱用部材２０〜２２のいずれかと、導電板４の他方主面４Ａに搭載した電子部品とを有する本実施形態のモジュールについて説明する。本実施形態のモジュールは、熱応力の生じる領域のみにおいて熱応力が低減可能とされており、電動版４における他方主面４Ａに十分な半導体素子等の電子部品の実装可能領域を有していることから、搭載する半導体素子等の電子部品に対して、絶縁性基板２も含めた全体的な面積を比較的小さくコンパクトにすることができる。放熱用部材２０〜２２は、比較的小さくコンパクトである一方、応力が集中する部位は選択的に薄肉化されて熱応力の集中が緩和されており、耐久性が高い。

本実施形態の放熱部材の製造方法の一例について、図６（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。なお、図６（ｅ）に示す放熱部材には、第３実施形態の放熱部材を示す、「２０」の符号を付している。

まず、図６（ａ）に示すように、例えば窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とするセラミックス基板である絶縁性基板２の双方の主面に銅板３０を接合する。接合では、接合層６の前駆体である接合剤を絶縁性基板２の双方の主面に塗布し、銅板３０を絶縁性基板２の
双方の主面に当接させて配置し、真空状態で加熱する。本実施形態では、絶縁性基板２の２つの主面に、それぞれ銅板３０が当接され、図中の上側および下側から圧力が印加される。この状態で全体を加熱炉に収容し、真空中で温度７００〜９５０℃で５〜３０分間昇温加熱して接合処理する。

次に、図６（ｂ）に示すように、銅板３０の表面に、レジスト等からなる所定形状のエッチングマスク７１を選択的に塗布した後、エッチング剤（エッチャント）である塩化第２鉄溶液に全体を浸漬する。このエッチングでは、銅板３０が選択的にエッチングされる。このエッチングでは、絶縁性基板２の表面が現れるまでは銅板３０をエッチングせず、銅板３０の厚さ方向の途中までの深さだけエッチングする、いわゆるハーフエッチングを行う。

次に、図６（ｂ）のエッチング時に形成していたエッチングマスク１を除去した後、図６（ｃ）に示すように、銅板３０の表面に、先のエッチング時に形成したエッチングマスク７１とは異なる大きさのエッチングマスク７２を形成する。このエッチングマスク７２は、上面視では、エッチングマスク７１よりも一回り小さく、エッチングマスク７１と同様な形状のマスクとなっている。

次に、図６（ｄ）に示すように、エッチングマスク７２が形成された状態で、エッチング剤（エッチャント）である塩化第２鉄溶液に全体を浸漬する。このエッチングでは、絶縁性基板２の表面が現れるまで銅板３０を深さ方向にエッチングする。このエッチングにおいて、先のエッチング時に形成されていた凹部と、銅板３０の表面との段差が広がっているようにエッチングが進行し、図３に示すような段差形状を有する導電板４が形成される。次に、残っていたエッチングマスク７２を除去して、図６（ｅ）に示すような放熱部材２０を得ることができる。

以上、本発明の放熱用部材およびこれを用いたモジュールについて説明したが、本発明の放熱用部材およびこれを用いたモジュールは上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

２絶縁性基板
４導電板
６接合層
４α 第１領域
４β 第２領域
４γ 他領域
４Ａ第２面
４Ｂ第１面
４１辺部
４２角部
２０放熱部材
５０段差部
５１第１接続部
５２第２接続部

Claims

絶縁性基板と、該絶縁性基板上に位置する導電板とを備える放熱用部材であって、
前記導電板は、前記絶縁性基板と対向する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有し、
正面視における前記第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、
前記辺部における中央部分である第２領域の厚みが、該第２領域以外である第２の他の領域の厚みより薄く、前記第２領域と前記角部との間に前記第２の他の領域が位置していることを特徴とする放熱用部材。
前記第２領域と前記第２の他の領域とは第２段差部を有しており、該第２段差部と前記第２領域とが曲線状に繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の放熱用部材。
前記第２領域と前記第２の他の領域とは第２段差部を有しており、該第２段差部と前記第２の他の領域とが曲線状に繋がっていることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱用部材。
絶縁性基板と、該絶縁性基板上に位置する導電板とを備える放熱用部材であって、
前記導電板は、前記絶縁性基板と対向する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを有し、
正面視における前記第１面の輪郭が、複数の角部と複数の辺部とを有する多角形状であり、
前記角部を含む第１領域の厚みおよび前記辺部における中央部分である第２領域の厚みが、前記第１領域および前記第２領域以外の第３の他の領域の厚みより薄く、前記第２領域と前記角部との間に前記第３の他の領域が位置していることを特徴とする放熱用部材。
前記第１領域および前記第２領域の少なくともいずれか一方と前記第３の他の領域とは第３段差部を有しており、該第３段差部と前記第３の他の領域とが曲線状に繋がっていることを特徴とする請求項４に記載の放熱用部材。
前記第１領域および前記第２領域の少なくともいずれか一方と前記第３の他の領域とは第３段差部を有しており、該第３段差部と、前記第１領域および前記第２領域の少なくともいずれか一方とが曲線状に繋がっていることを特徴とする請求項４または５に記載の放熱用部材。
前記絶縁性基板は、セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放熱用部材。
前記導電板は、主成分が銅であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の放熱用部材。
請求項１〜８のいずれかに記載の放熱用部材における前記導電板上に電子部品を備えることを特徴とするモジュール。