JPH10270596A

JPH10270596A - ヒートシンク付セラミック回路基板

Info

Publication number: JPH10270596A
Application number: JP7296297A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kuromitsu; 祥郎黒光; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Kunio Sugamura; 邦夫菅村; Masato Otsuki; 真人大槻
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-09
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: JP3171234B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱特性を向上し、熱サイクル寿命が長いセラ
ミック回路基板を得る。【解決手段】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又は第１及び第２銅板がそれ
ぞれ積層接着された構造体１４がアルミニウム１１又は
銅板を介してヒートシンク１６に接合される。構造体１
４とヒートシンク１６が両面にＡｌ融点降下層１７ａが
形成された純度９９重量％以上のアルミニウム箔１７を
介して接合される。Ａｌ融点降下層がＡｌ−Ｓｉ合金
層、Ａｌ−Ｃｕ合金層、Ａｌ−Ｍｇ合金層、Ａｌ−Ｎｉ
合金層、Ａｌ−Ａｇ合金層又はＡｌ−Ｃｅ合金層であ
る。構造体及びヒートシンクのそれぞれの接合面がＮｉ
めっき１１ａ，１６ａされる。セラミック基板がＡｌ
Ｎ，Ｓｉ₃Ｎ₄又はＡｌ₂Ｏ₃により形成され、ヒートシン
クがＣｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材料により形成さ
れる。アルミニウム箔は５〜５００μｍの厚さを有す
る。

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。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセラミック回路基板とし
て、図６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が積層接着された構造体４を、ＡｌＳｉＣ
複合材料により形成されたヒートシンク８の上面にはん
だ６を介して接合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への接合は第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）法により構造
体４が作られ、構造体４の第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、上面にＮｉめ
っきが形成されたヒートシンク８が構造体４の第１銅板
１にはんだ６を介して接合され、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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のセ
ラミック回路基板は、ヒートシンク８と第１銅板１の接
合に使用するはんだ６の熱抵抗が比較的大きい不具合が
ある。このため、半導体チップ等から発した熱をヒート
シンク８から有効に外部に放散することができない未だ
解決すべき問題点が残存していた。この点を解消するた
めに熱抵抗値の小さい金属を介してヒートシンク８と第
１銅板１をロー付することも考えられるが、このような
金属のロー付は一般的に比較的高温により行う必要があ
り、高温でロー付することに起因する接合後のヒートシ
ンク８、第１若しくは第２銅板１，２及びセラミック基
板３の内部応力の増大を招来し、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
変化することにより、セラミック基板３等にクラックが
生じる恐れがあった。本発明の目的は、放熱特性を向上
させる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。本発明の別の目的は、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。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１及び図２に示すように、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又は第１及び
第２銅板がそれぞれ積層接着された構造体１４がアルミ
ニウム１１又は銅板を介してヒートシンク１６に接合さ
れ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、構造体１４とヒートシンク１６が
両面にＡｌ融点降下層１７ａが形成された純度９９重量
％以上のアルミニウム箔１７を介して接合されたところ
にある。

【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、Ａｌ融点降下層１７ａがＡｌ−Ｓｉ合金
層、Ａｌ−Ｃｕ合金層、Ａｌ−Ｍｇ合金層、Ａｌ−Ｎｉ
合金層、Ａｌ−Ａｇ合金層又はＡｌ−Ｃｅ合金層である
ヒートシンク付セラミック回路基板である。この請求項
１又は２に係る回路基板では、従来のろう材やはんだの
代りに熱伝導率の高い純度９９重量％以上のアルミニウ
ム箔１７を用いてヒートシンク１６をアルミニウム板１
１又は銅板に接合するので放熱特性が向上する。また、
Ａｌ融点降下層１７ａによりＡｌの融点より低い温度で
接合できる。更に、アルミニウム箔１７は変形抵抗が小
さいので、接合後の回路基板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く、
その寿命を長くすることができる。

【０００６】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、図１に示すように、構造体１４及び
ヒートシンク１６のアルミニウム箔１７とのそれぞれの
接合面がＮｉめっき１１ａ，１６ａされたヒートシンク
付セラミック回路基板である。この請求項３に係る回路
基板では、Ｎｉめっき１１ａ，１６ａを施すことによ
り、ヒートシンク１６をアルミニウム板１１又は銅板に
比較的低温で容易に接合できる。

【０００７】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、セラミック基板１３がＡ
ｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄又はＡｌ₂Ｏ₃により形成され、ヒートシ
ンク１６がＣｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材料により
形成されたヒートシンク付セラミック回路基板である。
この請求項４に係る回路基板では、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、
Ｓｉ₃Ｎ₄を用いると強度及び耐熱性が向上し、Ａｌ₂Ｏ₃
を用いると耐熱性が向上する。また、ヒートシンク１６
をＣｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材料により形成する
ことにより、半導体チップ等から発した熱をヒートシン
ク１６から有効に外部に放散する。

【０００８】請求項５に係る発明は、請求項１ないし４
いずれかに係る発明であって、アルミニウム箔１７が５
〜５００μｍの厚さを有するヒートシンク付セラミック
回路基板である。アルミニウム箔１７が５μｍ未満であ
ると構造体１４とヒートシンク１６との接合が困難にな
り、アルミニウム箔１７が５００μｍを越えると熱抵抗
値が上昇する。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて詳しく説明する。 (a) 構造体図１及び図５に示すように、構造体１４，２４はセラミ
ック基板１３，２３の両面に第１及び第２アルミニウム
１１，１２板又は第１及び第２銅板２１，２２がそれぞ
れ積層接着されて構成され、セラミック基板１３，２３
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１２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１２はエッチングにより
所定のパターンの回路となる。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材は９
０〜９５重量％のＡｌと５〜１０重量％のＳｉとの合金
が好ましい。図５に示すように、セラミック基板２３の
両面に第１及び第２銅板２１，２２を積層接着するに
は、第１銅板２１の上にセラミック基板１３及び第２銅
板２２を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ
／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７５℃に
加熱するＤＢＣ（Direct Bond Copper）法により作ら
れ、構造体２４の第２銅板２２はエッチンクにより所定
のパターンの回路となる。

【００１０】(b) ヒートシンクヒートシンク１６はＣｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材
料により形成される。ヒートシンクがＡｌＳｉＣ系複合
材料である場合には、ＳｉＣ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ＡｌＳｉＣ系複合材料が形成される。

【００１１】(c) アルミニウム箔アルミニウム箔１７は純度９９重量％以上のアルミニウ
ム箔であって、図２に示すように、両面にＡｌ融点降下
層１７ａ，１７ａが形成される。アルミニウム箔１７は
５〜５００μｍの厚さを有し、Ａｌ融点降下層１７ａに
はＡｌ−Ｓｉ合金層、Ａｌ−Ｃｕ合金層、Ａｌ−Ｍｇ合
金層、Ａｌ−Ｎｉ合金層、Ａｌ−Ａｇ合金層又はＡｌ−
Ｃｅ合金層が挙げられる。なお、Ａｌ融点降下層１７ａ
のアルミニウム箔１７への形成は図２に示すようにＡｌ
融点降下層１７ａをアルミニウム箔１７にコーティング
して形成してもよく、図３に示すように、微粒子形状の
Ａｌ融点降下層１７ａをアルミニウム箔１７に蒸着等に
より形成しても良い。

【００１２】(d) ヒートシンクの第１アルミニウム板又
は第１銅板への接合図４に示すように、ヒートシンク１６の上に第１アルミ
ニウム板１１又は第２銅板２１を下側にした構造体１
４，２４を重ね、これらに荷重３ｋｇｆ／ｃｍ²を加
え、真空中で５２０〜５７０℃に加熱保持することによ
り、アルミニウム箔の両側に形成されたＡｌ融点降下層
１７ａ中のＡｌ合金が溶融してアルミニウム箔１７を介
してヒートシンク１６が構造体１４，２４に接合され
る。なお、第１アルミニウム板１１又は第１銅板２１を
エッチングにより所定のパターンの回路とし、第２アル
ミニウム板１２又は第２銅板２２にアルミニウム箔１７
を介してヒートシンク１６を接合してもよい。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
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５０ｍｍ、５０ｍｍ及び０．６ｍｍ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３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．４ｍｍのＡｌ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３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．
０３ｍｍのＡｌ−７．５重量％Ｓｉ合金であるＡｌ−Ｓ
ｉ系ろう材（図示せず）とを用意し、構造体１４を製作
した。

【００１４】構造体１４の製作には先ず、第１アルミニ
ウム板１１の上にＡｌ−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をエッチングにより所定のパターンの回路として構
造体１４を得た。次に、この構造体１４とともに縦、横
及び厚さがそれぞれ７０ｍｍ、７０ｍｍ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
１６と、両面にＡｌ融点降下層１７ａが形成された縦、
横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．１ｍ
ｍの純度９９重量％以上のアルミニウム箔１７を用意し
た。Ａｌ融点降下層１７ａにはＡｌ−７．５重量％Ｓｉ
合金をコーティングによりアルミニウム箔１７の両表面
に０．０５ｍｍの厚さで形成した。

【００１５】構造体１４の第１アルミニウム板１１及び
ヒートシンク１６のアルミニウム箔１７とのそれぞれの
接合面には厚さ０．００５ｍｍのＮｉめっき１１ａ，１
６ａをそれぞれ施し、ヒートシンク１６の上にアルミニ
ウム箔１７を介して第１アルミニウム板１１を下側にし
た構造体１４とを重ねた。これらに荷重２ｋｇｆ／ｃｍ
²を加え、真空中で５３０℃に加熱して２時間放置する
ことによりヒートシンク１６を第１アルミニウム板１１
にアルミニウム箔１７を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板１０を得た。

【００１６】＜実施例２＞図示しないが実施例１と同一
の構造体及びヒートシンクを用意した。次に、図３に示
すように、両面にＡｌ融点降下層１７ａが形成された
縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．
２ｍｍの純度９９重量％以上のアルミニウム箔１７を用
意した。Ａｌ融点降下層１７ａは、Ａｌ−７．５重量％
Ｓｉ合金粉末（粒径１．０μｍ）をアルミニウム箔１７
上に圧着した。構造体の第１アルミニウム板及びヒート
シンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ
０．００３ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、ヒートシ
ンクの上にアルミニウム箔を介して第１アルミニウム板
を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重２ｋｇｆ
／ｃｍ²を加え、真空中で５２０℃に加熱した状態で２
時間放置することによりヒートシンクを第１アルミニウ
ム板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板を得た。

【００１７】＜実施例３＞図示しないが、構造体の第１
アルミニウム板及びヒートシンクのアルミニウム箔との
それぞれの接合面にＮｉめっきを施さないこと以外、実
施例１と同じヒートシンク付セラミック回路基板を製造
した。即ち、構造体の第１アルミニウム板及びヒートシ
ンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には何の処
理もせずに、ヒートシンクの上に第１実施例と同一のア
ルミニウム箔を介して第１アルミニウム板を下側にした
構造体とを重ね、これらに荷重２ｋｇｆ／ｃｍ²を加
え、真空中で５２０℃に加熱した状態で２時間放置する
ことによりヒートシンクを第１アルミニウム板にアルミ
ニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック回
路基板を得た。

【００１８】＜実施例４＞図示しないが、セラミック基
板にＳｉ₃Ｎ₄を使用した以外実施例１と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＳｉ₃Ｎ₄により形成されたセラ
ミック基板と、実施例１と同一の第１及び第２アルミニ
ウム板及びＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用意し、第１アルミニ
ウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材、Ｓｉ₃Ｎ₄からなるセ
ラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材及び第２アルミニウ
ム板を重ねた状態で、これらに荷重３ｋｇｆ／ｃｍ²を
加え、真空中で６４０℃に加熱することにより、セラミ
ック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板を積層接
着した。積層接着後、第２アルミニウム板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。

【００１９】次に、この構造体とともに縦、横及び厚さ
がそれぞれ７０ｍｍ、７０ｍｍ及び２．０ｍｍのＡｌに
より形成されたヒートシンクと、両面にＡｌ−Ｃｕ合金
からなるＡｌ融点降下層が形成された縦、横及び厚さが
それぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．１ｍｍの純度９９
重量％以上のアルミニウム箔１７を用意した。Ａｌ−Ｃ
ｕ合金はＡｌ−５重量％Ｃｕ合金をコーティングにより
アルミニウム箔１７の両表面に０．００８ｍｍの厚さで
形成した。構造体の第１アルミニウム板及びヒートシン
クのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ０．
００５ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、Ａｌからなる
ヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第１アルミ
ニウム板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重
３ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５７０℃に加熱して
２時間放置することによりヒートシンクを第１アルミニ
ウム板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク
付セラミック回路基板を得た。

【００２０】＜実施例５＞図示しないが、セラミック基
板にＡｌ₂Ｏ₃を使用した以外実施例１と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃により形成されたセラ
ミック基板と、実施例１と同一の第１及び第２アルミニ
ウム板及びＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用意し、第１アルミニ
ウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材、Ａｌ₂Ｏ₃からなるセ
ラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材及び第２アルミニウ
ム板を重ねた状態で、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
ック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板を積層接
着した。積層接着後、第２アルミニウム板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。

【００２１】次に、この構造体とともに縦、横及び厚さ
がそれぞれ７０ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＣｕにより
形成されたヒートシンクと、両面にＡｌ−Ｍｇ合金から
なるＡｌ融点降下層が形成された縦、横及び厚さがそれ
ぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．２ｍｍの純度９９重量
％以上のアルミニウム箔１７を用意した。Ａｌ−Ｍｇ合
金はＡｌ−６重量％Ｍｇ合金をコーティングによりアル
ミニウム箔１７の両表面に０．００４ｍｍの厚さで形成
した。構造体の第１アルミニウム板及びヒートシンクの
アルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ０．００
８ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、Ｃｕからなるヒー
トシンクの上にアルミニウム箔を介して第１アルミニウ
ム板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重３ｋ
ｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５２０℃に加熱して３時
間放置することによりヒートシンクを第１アルミニウム
板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セ
ラミック回路基板を得た。

【００２２】＜実施例６＞図５に示すように、縦、横及
び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び０．６ｍｍ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７０ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＣ
ｕ合金により形成された第１及び第２銅板２１，２２と
を用意し、構造体２４を製作した。構造体２４の製作
は、第１銅板２１の上にセラミック基板１３及び第２銅
板２２を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ
／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２２はエッチンクにより所定のパターンの
回路として構造体２４を得た。

【００２３】次に、この構造体２４とともに縦、横及び
厚さがそれぞれ７０ｍｍ、７０ｍｍ及び３．０ｍｍのＡ
ｌＳｉＣ系複合材料により形成されたヒートシンク１６
と、両面にＡｌ−Ｎｉ合金からなるＡｌ融点降下層が形
成された縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ
及び０．３ｍｍの純度９９重量％以上のアルミニウム箔
１７を用意した。Ａｌ−Ｎｉ合金はＡｌ−３重量％Ｎｉ
合金をコーティングによりアルミニウム箔１７の両表面
に０．０５ｍｍの厚さで形成した。構造体２４の第１銅
板２１及びヒートシンク１６のアルミニウム箔１７との
それぞれの接合面には厚さ０．００５ｍｍのＮｉめっき
をそれぞれ施し、ＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒート
シンク１６の上にアルミニウム箔１７を介して第１銅板
を下側にした構造体２４とを重ねた。これらに荷重３ｋ
ｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５３０℃に加熱して３時
間放置することによりヒートシンク１６を第１銅板２１
にアルミニウム箔１７を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板２０を得た。

【００２４】＜実施例７＞図示しないが、セラミック基
板にＳｉ₃Ｎ₄を使用した以外実施例５と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＳｉ₃Ｎ₄により形成されたセラ
ミック基板と、実施例５と同一の第１及び第２銅板を用
意し、第１銅板の上にＳｉ₃Ｎ₄からなるセラミック基板
及び第２銅板を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７
５℃に加熱して積層接着した後、第２銅板をエッチンク
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ７０
ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＡｌにより形成されたヒー
トシンクと、両面にＡｌ−Ａｇ合金からなるＡｌ融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、
３０ｍｍ及び０．２ｍｍの純度９９重量％以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Ａｌ−Ａｇ合金はＡｌ−４重量％
Ａｇ合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に０．２ｍｍの厚さで形成した。構造体の第１銅板及び
ヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面に
は厚さ０．０１ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、Ａｌ
からなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第
１銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重３
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５３０℃に加熱して５
時間放置することによりヒートシンクを第１銅板にアル
ミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック
回路基板を得た。

【００２５】＜実施例８＞図示しないが、セラミック基
板にＡｌ₂Ｏ₃を使用した以外実施例５と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃により形成されたセラ
ミック基板と、実施例５と同一の第１及び第２銅板を用
意し、第１銅板の上にＡｌ₂Ｏ₃からなるセラミック基板
及び第２銅板を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７
５℃に加熱して積層接着した後、第２銅板をエッチンク
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ７０
ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＣｕにより形成されたヒー
トシンクと、両面にＡｌ−Ｃｅ合金からなるＡｌ融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、
３０ｍｍ及び０．１ｍｍの純度９９重量％以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Ａｌ−Ｃｅ合金はＡｌ−７重量％
Ｃｅ合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に０．０５ｍｍの厚さで形成した。構造体の第１銅板及
びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面
には厚さ０．００７ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、
Ｃｕからなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介し
て第１銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷
重４ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５２５℃に加熱し
て１時間放置することによりヒートシンクを第１銅板に
アルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミ
ック回路基板を得た。

【００２６】＜比較例１＞図６に示すように、実施例６
の構造体と同形同大にかつ同一材料により形成された構
造体４と、実施例８のヒートシンクと同形同大にかつ同
一材料のＣｕにより形成されたヒートシンク８と、縦、
横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．１ｍ
ｍのはんだ６とを用意した。先ず、ヒートシンク８の上
にはんだ６と第１銅板１を下側にした構造体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２
５０℃に加熱してヒートシンク８を第１銅板１に接合
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。

【００２７】＜比較例２＞図示しないが、ヒートシンク
をＡｌＳｉＣ系複合材料により形成し、ヒートシンクを
はんだを介して第１銅板１に接合する前にヒートシンク
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
板を比較例２とした。なお上述した実施例１〜８、比較
例１及び比較例２のそれぞれの回路基板の構成を表１に
示す。

【００２８】＜比較試験及び評価＞実施例１〜８、比較
例１及び比較例２の回路基板の熱抵抗及びセラミックス
クラックをそれぞれ測定した。熱抵抗の測定は以下の方
法により行った、即ち、実施例１〜８の第２アルミニウ
ム板及び第２銅板の上面と、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１〜８、
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。この結果を表１に
示す。セラミックス基板のクラックの測定は以下の方法
により行った、即ち、温度サイクル１０００回後の熱抵
抗を測定した実施例１〜８のセラミック基板上の第１及
び第２アルミニウム板、第１及び第２銅板と、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、セラミック基板にクラ
ックが生じているか否かを拡大鏡により確認することに
より行った。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１から明らかなように、実施例１及び２
の結果からアルミニウム箔の両面に形成するＡｌ融点降
下層はコーティングでも蒸着でも実質的に変化が見られ
なかった。また、実施例１及び実施例３の結果から、構
造体及びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの
接合面をＮｉめっきすることにより更に低温での接合が
可能になることが判明した。また実施例１〜８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７７％増大し、比
較例２では温度サイクル１０００回後の熱抵抗が約９８
％増大した。更に実施例１〜８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では温度サイクル１００
０回後にセラミックスクラックが生じたことが確認され
た。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、構
造体とヒートシンクを両面にＡｌ融点降下層が形成され
た熱伝導率の高い純度９９重量％以上のアルミニウム箔
を介して接合するので、放熱特性を向上させることがで
きる。また、アルミニウム箔は変形抵抗が小さいので、
回路基板に熱サイクルを付加してもセラミック基板にク
ラックが発生することはなく、その寿命を長くすること
ができる。また、構造体及びヒートシンクのアルミニウ
ム箔とのそれぞれの接合面にＮｉめっきを施せば、ヒー
トシンクをアルミニウム板又は銅板に比較的低温で容易
に接合することもできる。更に、セラミック基板をＡｌ
Ｎ，Ｓｉ₃Ｎ₄又はＡｌ₂Ｏ₃により形成し、ヒートシンク
をＣｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材料により形成すれ
ば、熱伝導率、耐熱性及び強度等を向上することがで
き、半導体チップ等から発した熱をヒートシンクから有
効に外部に放散することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヒートシンク付セラミック回路基板の
断面図。

【図２】そのＡｌ融点降下層が形成されたアルミニウム
箔の断面図。

【図３】別のＡｌ融点降下層が形成されたアルミニウム
箔の断面図。

【図４】そのアルミニウム箔を介して構造体とヒートシ
ンクを接合した状態を示す断面図。

【図５】本発明の別のヒートシンク付セラミック回路基
板の断面図。

【図１】従来例のヒートシンク付セラミック回路基板を
示す図１に対応する断面図。

【符号の説明】

１１第１アルミニウム板１１ａ，１６ａＮｉめっき１２第２アルミニウム板１３セラミック基板１４，２４構造体１６ヒートシンク１７アルミニウム箔１７ａＡｌ融点降下層２１第１銅板２２第２銅板

【手続補正書】

【提出日】平成９年５月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図６】従来例のヒートシンク付セラミック回路基板を
示す図１に対応する断面図。

【符号の説明】１１第１アルミニウム板１１ａ，１６ａＮｉめっき１２第２アルミニウム板１３セラミック基板１４，２４構造体１６ヒートシンク１７アルミニウム箔１７ａＡｌ融点降下層２１第１銅板２２第２銅板 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年８月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項３

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセラミック回路基板とし
て、図６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が積層接着された構造体４を、ＡｌＳｉＣ
複合材料により形成されたヒートシンク８の上面にはん
だ６を介して接合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への接合は第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）法により構造
体４が作られ、構造体４の第２銅板２はエッチングによ
り所定のパターンの回路となる。この後、上面にＮｉめ
っきが形成されたヒートシンク８が構造体４の第１銅板
１にはんだ６を介して接合され、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。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１及び図２に示すように、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又は第１及び
第２銅板がそれぞれ積層接着された構造体１４がアルミ
ニウム板１１又は銅板を介してヒートシンク１６に接合
され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、構造体１４とヒートシンク１
６が両面にＡｌ融点降下層１７ａが形成された純度９９
重量％以上のアルミニウム箔１７を介して接合されたと
ころにある。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて詳しく説明する。 (a) 構造体図１及び図５に示すように、構造体１４，２４はセラミ
ック基板１３，２３の両面に第１及び第２アルミニウム
板１１，１２又は第１及び第２銅板２１，２２がそれぞ
れ積層接着されて構成され、セラミック基板１３，２３
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１２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１２はエッチングにより
所定のパターンの回路となる。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材は９
０〜９５重量％のＡｌと５〜１０重量％のＳｉとの合金
が好ましい。図５に示すように、セラミック基板２３の
両面に第１及び第２銅板２１，２２を積層接着するに
は、第１銅板２１の上にセラミック基板１３及び第２銅
板２２を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ
／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７５℃に
加熱するＤＢＣ（Direct Bond Copper）法により作ら
れ、構造体２４の第２銅板２２はエッチングにより所定
のパターンの回路となる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】＜実施例６＞図５に示すように、縦、横及
び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び０．６ｍｍ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７０ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＣ
ｕ合金により形成された第１及び第２銅板２１，２２と
を用意し、構造体２４を製作した。構造体２４の製作
は、第１銅板２１の上にセラミック基板１３及び第２銅
板２２を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ
／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２２はエッチングにより所定のパターンの
回路として構造体２４を得た。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】＜実施例７＞図示しないが、セラミック基
板にＳｉ₃Ｎ₄を使用した以外実施例６と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＳｉ₃Ｎ₄により形成されたセラ
ミック基板と、実施例６と同一の第１及び第２銅板を用
意し、第１銅板の上にＳｉ₃Ｎ₄からなるセラミック基板
及び第２銅板を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７
５℃に加熱して積層接着した後、第２銅板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ７０
ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＡｌにより形成されたヒー
トシンクと、両面にＡｌ−Ａｇ合金からなるＡｌ融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、
３０ｍｍ及び０．２ｍｍの純度９９重量％以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Ａｌ−Ａｇ合金はＡｌ−４重量％
Ａｇ合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に０．２ｍｍの厚さで形成した。構造体の第１銅板及び
ヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面に
は厚さ０．０１ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、Ａｌ
からなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第
１銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重３
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５３０℃に加熱して５
時間放置することによりヒートシンクを第１銅板にアル
ミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック
回路基板を得た。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】＜実施例８＞図示しないが、セラミック基
板にＡｌ₂Ｏ₃を使用した以外実施例６と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５
０ｍｍ及び０．６ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃により形成されたセラ
ミック基板と、実施例６と同一の第１及び第２銅板を用
意し、第１銅板の上にＡｌ₂Ｏ₃からなるセラミック基板
及び第２銅板を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２
ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５〜１０７
５℃に加熱して積層接着した後、第２銅板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ７０
ｍｍ、７０ｍｍ及び２ｍｍのＣｕにより形成されたヒー
トシンクと、両面にＡｌ−Ｃｅ合金からなるＡｌ融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、
３０ｍｍ及び０．１ｍｍの純度９９重量％以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Ａｌ−Ｃｅ合金はＡｌ−７重量％
Ｃｅ合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に０．０５ｍｍの厚さで形成した。構造体の第１銅板及
びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面
には厚さ０．００７ｍｍのＮｉめっきをそれぞれ施し、
Ｃｕからなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介し
て第１銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷
重４ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で５２５℃に加熱し
て１時間放置することによりヒートシンクを第１銅板に
アルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミ
ック回路基板を得た。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】＜比較例１＞図６に示すように、実施例６
の構造体と同形同大にかつ同一材料により形成された構
造体４と、実施例８のヒートシンクと同形同大にかつ同
一材料のＣｕにより形成されたヒートシンク８と、縦、
横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．１ｍ
ｍのはんだ６とを用意した。先ず、ヒートシンク８の上
にはんだ６と第１銅板１を下側にした構造体４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２
５０℃に加熱してヒートシンク８を第１銅板１に接合
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。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】＜比較試験及び評価＞実施例１〜８、比較
例１及び比較例２の回路基板の熱抵抗及びセラミックス
クラックをそれぞれ測定した。熱抵抗の測定は以下の方
法により行った、即ち、実施例１〜８の第２アルミニウ
ム板及び第２銅板の上面と、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１〜８、
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。この結果を表１に
示す。セラミックス基板のクラックの測定は以下の方法
により行った、即ち、温度サイクル１０００回後の熱抵
抗を測定した実施例１〜８のセラミック基板上の第１及
び第２アルミニウム板、第１及び第２銅板と、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グで除去し、セラミック基板にクラ
ックが生じているか否かを拡大鏡により確認することに
より行った。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大槻真人埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板(13,23)の両面に第１及
び第２アルミニウム板(11,12)又は第１及び第２銅板(2
1,22)がそれぞれ積層接着された構造体(14,24)が前記ア
ルミニウム(11)又は銅板(21)を介してヒートシンク(16)
に接合されたヒートシンク付セラミック回路基板におい
て、前記構造体(14,24)と前記ヒートシンク(16)が両面にＡ
ｌ融点降下層(17a)が形成された純度９９重量％以上の
アルミニウム箔(17)を介して接合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】Ａｌ融点降下層(17a)がＡｌ−Ｓｉ合金
層、Ａｌ−Ｃｕ合金層、Ａｌ−Ｍｇ合金層、Ａｌ−Ｎｉ
合金層、Ａｌ−Ａｇ合金層又はＡｌ−Ｃｅ合金層である
請求項１記載のヒートシンク付セラミック回路基板。
【請求項３】構造体(14,24)及びヒートシンク(16)の
アルミニウム箔(17)とのそれぞれの接合面がＮｉ(11a,1
6a)めっきされた請求項１又は２記載のヒートシンク付
セラミック回路基板。
【請求項４】セラミック基板(13,23)がＡｌＮ，Ｓｉ₃
Ｎ₄又はＡｌ₂Ｏ₃により形成され、ヒートシンク(16)が
Ｃｕ、Ａｌ又はＡｌＳｉＣ系複合材料により形成された
請求項１ないし３いずれか記載のヒートシンク付セラミ
ック回路基板。
【請求項５】アルミニウム箔(17)が５〜５００μｍの
厚さを有する請求項１ないし４いずれか記載のヒートシ
ンク付セラミック回路基板。