特許 7151583 ヒートシンク付き絶縁回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-03

(45)【発行日】2022-10-12

(54)【発明の名称】ヒートシンク付き絶縁回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20221004BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20221004BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20221004BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20221004BHJP

   B32B 7/027 20190101ALI20221004BHJP

   B32B 15/04 20060101ALI20221004BHJP

   B32B 15/20 20060101ALI20221004BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H01L23/12 J

H05K7/20 D

H05K1/02 F

B32B7/027

B32B15/04 B

B32B15/04 A

B32B15/20

H01L23/40 F

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019059725

(22)【出願日】2019-03-27

(65)【公開番号】P2019176152

(43)【公開日】2019-10-10

【審査請求日】2021-09-30

(31)【優先権主張番号】P 2018061989

(32)【優先日】2018-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】湯本 遼平

(72)【発明者】

【氏名】大開 智哉

(72)【発明者】

【氏名】北原 丈嗣

(72)【発明者】

【氏名】長友 義幸

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１９８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６７５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０９８０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９４８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５５２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２５７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８９４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／１０７６４２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｂ３２Ｂ ７／０２７

Ｂ３２Ｂ １５／０４

Ｂ３２Ｂ １５／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備えるヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、
前記第１金属層の前記厚さＴ１及び前記第２金属層の前記厚さＴ２がいずれも０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。

【請求項2】

前記回路層は銅又は銅合金により構成され、
前記セラミックス基板及び前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

【請求項3】

前記金属層と前記第１金属層とは、固相拡散接合していることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

【請求項4】

セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備えるヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、
０．２≦Ｔ１≦０．５（ｍｍ）、０．３≦Ｔ２≦０．６（ｍｍ）、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２＜１．０であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。

【請求項5】

前記回路層は銅又は銅合金により構成され、
前記セラミックス基板及び前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

【請求項6】

前記金属層と前記第１金属層とは固相拡散接合していることを特徴とする請求項４または５に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化珪素を始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板が知られている。

【0003】

例えば特許文献１に開示されているヒートシンク付絶縁回路基板は、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等のいずれかからなる回路層が接合され、絶縁層の他方の面に純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板からなる金属層が接合され、この金属層に、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンクが直接接合されている。

【0004】

このようなヒートシンク付き絶縁回路基板において、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合による反りが発生するおそれがある。そのような反りを防止するため、ヒートシンクの材料として、特許文献２に開示される多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる低膨張係数の複合体を用いることが考えられる。

【0005】

特許文献３は、第１のセラミックス基板の一方の面に第１の金属板が接合され、第１のセラミックス基板の他方の面と第２のセラミックス基板の一方の面に第２に金属板が接合され、第２のセラミックス基板の他方の面に複数のフィンを有する板状の放熱部材が接合されてなる金属－セラミックス接合基板（ヒートシンク付き絶縁回路基板）を開示している。この金属－セラミックス接合基板は、第１のセラミックス基板および第２のセラミックス基板をカーボン製の鋳型内に間隔を開けて配置し、アルミニウム合金溶湯を鋳型に流し込んで冷却、固化させることにより形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１４－６０２１５号公報

【文献】特開２０００－２８１４６５号公報

【文献】特開２０１７－２１２３１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献３に開示されている金属－セラミックス接合基板は、２枚のセラミックス基板を鋳型内に間隔を開けて配置して、溶融状態のアルミニウム合金を鋳型に流し込むことにより製造されるため、全ての金属板、放熱部材およびフィンが同じアルミニウム合金となる。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁回路基板の金属層と異なる組成の金属からなるヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付き絶縁回路基板の反りを抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本件発明者らは、鋭意研究の結果、絶縁回路基板の金属層と異なる組成の金属からなるヒートシンクを金属層に接合すると、接合によって生じるヒートシンク付き絶縁回路基板の変形が、諸条件によってヒートシンクの絶縁回路基板側が凸状となるように反る場合と、凹状となるように反る場合とがあることを見出した。

【0010】

本発明の第１の態様に係るヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備える。前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、前記第１金属層の前記厚さＴ１及び前記第２金属層の前記厚さＴ２がいずれも０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上である。

【0011】

このような構造のヒートシンク付き絶縁回路基板においては、ヒートシンクにおいてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層と第２金属層との間にセラミックス板材が配設されることによりヒートシンクの線膨張係数を小さくでき、銅または銅合金からなる金属層を有する絶縁回路基板との線膨張差を小さくできる。これにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板の高温時と低温時との反り変化量を抑制できる。

【0012】

このヒートシンク付き絶縁回路基板においてヒートシンクの第１金属層の厚さＴ１及び第２金属層の厚さＴ２のいずれかが０．８ｍｍ未満であるか、または、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０未満である場合、反り変化量が負の値となり、その値も大きくなる。これは、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、回路層側に凸からヒートシンク側に凸の方向に大きく変形することを意味する。このような場合、素子下のはんだ外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子下のはんだの接合率が低下する。

【0013】

ここで、第１金属層の厚さＴ１または第２金属層の厚さＴ２のいずれかが３．０ｍｍを超えると、ヒートシンクの線膨張が増大して、絶縁回路基板とヒートシンクとの線膨張差が拡大し、冷熱サイクルにおいて絶縁回路基板のセラミックス基板が割れる可能性がある。このため、第１金属層の厚さＴ１及び第２金属層の厚さＴ２は３．０ｍｍ以下とする。

【0014】

本発明の第２の態様に係るヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備える。前記ヒートシンクは、前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、０．２≦Ｔ１≦０．５（ｍｍ）、０．３≦Ｔ２≦０．６（ｍｍ）、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２＜１．０である。

【0015】

このような構成のヒートシンク付き絶縁回路基板においては、第１金属層の厚さＴ１が０．２ｍｍ未満の場合、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性が悪化する。これは、セラミックス板材と第１金属層との接合時にろう材に含まれるＳｉが拡散し、第１金属層の絶縁回路基板側の面に凹凸ができるためと考えられる。厚さＴ１が０．５ｍｍを超える場合、厚さＴ２が０．３≦Ｔ２≦０．６（ｍｍ）の範囲外となる場合、や、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上となる場合には、反り変化量が負の値となり、その値も大きくなる。これは、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、回路層側に凸からヒートシンク側に凸の方向に大きく変形することを意味する。このような場合、素子下のはんだ外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子下のはんだの接合率が低下する。

【0016】

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記回路層は銅又は銅合金により構成され、前記セラミックス基板及び前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されているとよい。

【0017】

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記金属層と前記第１金属層とは固相拡散接合しているとよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、金属層を有する絶縁回路基板と、絶縁回路基板の金属層とは異なる組成の金属層を有するヒートシンクとが接合されてなるヒートシンク付き絶縁回路基板の反りを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。

【図2】上記第１実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板を回路層側から見た平面図である。

【図3A】図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。

【図3B】図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。

【図3C】図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0021】

［絶縁回路基板の概略構成］
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１００は、図１に示すように絶縁回路基板１にヒートシンク２が接合されてなり、例えばパワーモジュール用基板として用いられる。この場合、図１に二点鎖線で示すように、パワーモジュール用基板としてのヒートシンク付き絶縁回路基板１００上に素子３０が搭載されて、パワーモジュールとなる。

【0022】

この素子３０は、半導体を備えた電子部品であり、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。

【0023】

この場合、素子３０は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２上にはんだ３１等により接合されることで、素子３０が回路層１２上に搭載される。また、素子３０の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層１２の回路電極部等に接続され、パワーモジュールが製造される。

【0024】

［絶縁回路基板の構成］
絶縁回路基板１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された金属層１３とを備える。

【0025】

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する矩形板状の絶縁基板であって、例えば窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア強化アルミナ基板等により形成され、その厚さは０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。なお、セラミックス基板１１の両面に接合される回路層１２及び金属層１３がいずれも銅又は銅合金からなる場合には、窒化珪素により構成されることが好ましい。

【0026】

セラミックス基板１１の平面サイズは特に限定されないが、本実施形態では４０ｍｍ～１４０ｍｍ×４０ｍｍ～１００ｍｍに設定されている。

【0027】

回路層１２は、セラミックス基板１１の上面（一方の面）に接合され、純度９９質量％以上の銅又は銅合金が用いられ、その厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

【0028】

回路層１２の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、本実施形態では３６ｍｍ～１３６ｍｍ×３６ｍｍ～９６ｍｍに設定されている。

【0029】

金属層１３は、セラミックス基板１１の下面（他方の面）に接合され、純度９９質量％以上の銅又は銅合金を用いることができる。その厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

【0030】

また、金属層１３の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、本実施形態では３６ｍｍ～１３６ｍｍ×３６ｍｍ～９６ｍｍに設定されている。なお、回路層１２及び金属層１３は、同じ組成で、かつ、同じ厚さ、大きさであることが好ましい。

【0031】

［ヒートシンクの構成］
ヒートシンク２は、絶縁回路基板１に接合されて、絶縁回路基板１から伝達された熱を放熱する。このヒートシンク２は、絶縁回路基板１の金属層１３に接合された第１金属層２１と、第１金属層２１の下面（金属層１３とは反対側の面）に接合されたセラミックス板材２３と、セラミックス板材２３の下面（第１金属層２１とは反対側の面）に接合された第２金属層２２とからなる。

【0032】

第１金属層２１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えば、ＪＩＳ規格ではＡ６０６３合金が主として用いられる他、４Ｎ－ＡｌやＡ３００３、ＡＤＣ１２等が用いられている。本実施形態の第１金属層２１の厚さＴ１は０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されている。また、第２金属層２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、その厚さＴ２は０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されている。

【0033】

第１金属層２１の厚さＴ１が３．０ｍｍを超えると、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層２１の膨張の影響が大きくなり、第１金属層２１がセラミックス板材２３に接合されたヒートシンク２の線膨張が増大するため、冷熱サイクルにおいて、絶縁回路基板１とヒートシンク２とを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板１００の絶縁回路基板１のセラミックス基板１１が割れる可能性がある。第２金属層２２についても同様に、厚さＴ２が３．０ｍｍを超えても、冷熱サイクルにおいてセラミックス基板１１が割れる可能性がある。

【0034】

なお、第１金属層２１の厚さＴ１及び第２金属層２２の厚さＴ２のいずれかが０．８ｍｍ未満であるか、または、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０未満である場合には、反り変化量が負の値となり、その値も大きくなる。これは、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、回路層１２側に凸からヒートシンク２側に凸の方向に大きく変形することを意味する。このような場合、素子３０下のはんだ３１外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子３０下のはんだ３１の接合率が低下することとなる。

【0035】

セラミックス板材２３は、ヒートシンク２と絶縁回路基板１との線膨張差を低減させるために設けられており、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア強化アルミナ基板等により形成され、その厚さＴ３は、０．２ｍｍ～１．２ｍｍに設定されている。なお、セラミックス板材２３は、その両面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層２１及び第２金属層２２が接合されるため、窒化珪素により構成されることがより好ましい。

【0036】

また、第１金属層２１、第２金属層２２及びセラミックス板材２３の平面サイズはセラミックス基板１１よりも大きく、特に限定されないが、いずれも同じ大きさに設定され、例えば５０ｍｍ～１８０ｍｍ×６０ｍｍ～１４０ｍｍに設定されている。

【0037】

このため、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００を回路層１２側から見た場合、図２に示すように、回路層１２よりもセラミックス基板１１が大きく、セラミックス基板１１よりもヒートシンク２（第１金属層２１，第２金属層２２およびセラミックス板材２３）が大きい。

【0038】

以上説明したように、ヒートシンク２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層２１と第２金属層２２との間にセラミックス板材２３が配設された構成となっている。

【0039】

［ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法］
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１００の製造方法について説明する。

【0040】

ヒートシンク付き絶縁回路基板１００の製造方法は、図３Ａ～３Ｃに示すように、セラミックス基板１１に銅又は銅合金からなる回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を接合する絶縁回路基板製造工程（図３Ａ）と、セラミックス板材２３にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を接合するヒートシンク製造工程（図３Ｂ）と、絶縁回路基板１とヒートシンク２とを接合する接合工程（図３Ｃ）と、を有する。以下、この工程順に説明する。

【0041】

（絶縁回路基板製造工程）
図３Ａに示すように、セラミックス基板１１に回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０をそれぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材を用いて接合する。具体的には、セラミックス基板１１の両面に、それぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材箔１４を介在させて回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を積層し、これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を接合する。これにより、セラミックス基板１１の上面に回路層１２が接合部（ろう付け部）を介して接合され、下面に金属層１３が接合部（ろう付け部）を介して接合された絶縁回路基板１が形成される。

【0042】

セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３と接合する際、積層方向への加圧力は０．１ＭＰａ～１．０ＭＰａ、加熱温度は８００℃～９３０℃とするとよい。また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材の他、Ｃｕ－Ｐ系ろう材を用いることもできる。

【0043】

（ヒートシンク製造工程）
次に、図３Ｂに示すように、厚さＴ３が０．２ｍｍ～１．２ｍｍのセラミックス板材２３に、厚さＴ１が０．８ｍｍ～３．０ｍｍの第１金属層用金属板２１０、及び厚さＴ２が０．８ｍｍ～３．０ｍｍかつＴ１以下の第２金属層用金属板２２０を、それぞれＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いて接合する。

【0044】

具体的には、セラミックス板材２３の両面に、それぞれＡｌ－Ｓｉ系のろう材箔１４を介在させて第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を積層し、これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス板材２３と第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を接合する。これにより、セラミックス板材２３の一方の面（上面）に厚さＴ１が０．８ｍｍ～３．０ｍｍの第１金属層２１が接合部（ろう付け部）を介して接合され、他方の面（下面）に厚さＴ２が０．８ｍｍ～３．０ｍｍで、かつ第１金属層２１の厚さＴ１以下の第２金属層２２が接合部（ろう付け部）を介して接合されたヒートシンク２が形成される。

【0045】

セラミックス板材２３と第１金属層用金属板２１０および第２金属層用金属板２２０とを接合する際、積層方向への加圧力は０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａ、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下とするとよい。また、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材の他、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いることもできる。

【0046】

（接合工程）
そして、絶縁回路基板１とヒートシンク２とを固相拡散接合する。具体的には、図３Ｃに示すように、絶縁回路基板１の金属層１３をヒートシンク２上に積層し、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、金属層１３とヒートシンク２の第１金属層２１とを固相拡散接合する。この場合の加圧力としては例えば０．５ＭＰａ～２．０ＭＰａ、加熱温度としては５００℃～５４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を３０分～１２０分保持する。これにより、金属層１３とヒートシンク２とが接合され、図１に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００が得られる。

【0047】

なお、本実施形態においては、金属層１３の接合面及びヒートシンク２の接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合される。

【0048】

ここで、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金の一枚板にて構成されている場合、絶縁回路基板１の銅又は銅合金からなる金属層１３との線膨張差が大きいため、高温時の膨張率や低温時の収縮率が異なり、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００の反りが大きくなる。

【0049】

これに対し、本実施形態では、絶縁回路基板１の金属層１３に接合された第１金属層２１と、第１金属層２１に接合されたセラミックス板材２３と、セラミックス板材２３に接合された第２金属層２２とによりヒートシンク２が構成されている。すなわち、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層２１と第２金属層２２との間にセラミックス板材２３が配設されているので、ヒートシンク２の線膨張係数を小さくでき、絶縁回路基板１との線膨張差を小さくできる。

【0050】

また、第１金属層２１の厚さＴ１が０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、かつ第２金属層２２の厚さＴ２以上（Ｔ１≧Ｔ２）であるので、ヒートシンク２の放熱効果を維持しつつ、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００の高温時と低温時との反り変化量が正の値（ヒートシンク側に凸から回路層側に凸の方向への形状変化）となるか、または、負の値（回路層側に凸からヒートシンク側に凸の方向への形状変化）となってもその値を小さくすることが可能となる。

【0051】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図面を用いて説明する。

【0052】

本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１００Ａは、図４に示すように、ヒートシンク２に代えて、ヒートシンク２Ａを有している点で上記第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と同一又は略同一の部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。

【0053】

図４に示すヒートシンク２Ａは、第１金属層２１Ａの厚さＴ１が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、第２金属層２１２の厚さＴ２が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下に設定されている。

【0054】

第１金属層の厚さＴ１が０．２ｍｍ未満の場合、絶縁回路基板１とヒートシンク２Ａとの接合性が悪化する。これは、セラミックス板材２３と第１金属層２１０との接合時にろう材（Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔）に含まれるＳｉが拡散し、第１金属層の絶縁回路基板１側の面に凹凸ができるためと考えられる。第１金属層の厚さＴ１が０．５ｍｍを超える場合、第２金属層の厚さＴ２が０．３≦Ｔ２≦０．６（ｍｍ）の範囲外となる場合、や、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上となる場合には、反り変化量が負の値となり、その値も大きくなる。これは、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、回路層１２側に凸からヒートシンク２Ａ側に凸の方向に大きく変形することを意味する。このような場合、素子３０下のはんだ３１外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子３０下のはんだ３１の接合率が低下する。

【0055】

その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0056】

例えば、上記実施形態では、回路層１２は、銅又は銅合金からなることとしたが、これに限らず、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されてもよい。すなわち、回路層１２の組成は問わない。

【0057】

また、上記実施形態では、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００，１００Ａをヒートシンク付きパワーモジュール用基板として用いる例を説明したが、このヒートシンク付き絶縁回路基板１００，１００Ａは、ＬＥＤ素子用基板等、各種の絶縁基板として用いることもできる。

【実施例】

【0058】

次に、本発明の効果について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の各実施例に限定されるものではない。

【0059】

［第１の態様に係る実験］
実施例１－１～１－１２、比較例１－１～１－４及び従来例の試料を構成する絶縁回路基板としては、厚さ０．６３５ｍｍ、平面サイズが１２０ｍｍ×９０ｍｍのセラミックス基板に厚さ０．４ｍｍの回路層及び厚さ０．４ｍｍの金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造した。回路層及び金属層については、表１に示す組成のものを用意した。

【0060】

実施例１－１～１－１２及び比較例１－１～１－４の試料を構成するヒートシンクとしては、厚さ０．３２ｍｍ、平面サイズが１４０ｍｍ×１００ｍｍのセラミックス基板に、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される第１金属層及び第２金属層を接合した。接合方法は、上記実施形態で述べた製造方法に準じた。第１金属層及び第２金属層については、表１に示す組成及び厚さのものを用意した。

【0061】

表中、ＯＦＣは無酸素銅（Ｏｘｙｇｅｎ－Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）、Ａ６０６３，Ａ３００３，およびＡＤＣ１２はＪＩＳ（日本工業規格）に定められるアルミニウム合金、４Ｎ－Ａｌは純度９９．９９％以上のいわゆる純アルミニウムを示す。

【0062】

従来例については、厚さ５．０ｍｍ、平面サイズが１４０ｍｍ×１００ｍｍのアルミニウム合金の一枚板により構成されるヒートシンクを製造した。

【0063】

そして、これら絶縁回路基板とヒートシンクとを上記実施形態で述べた接合方法により接合し、得られた試料について下記の実験を行った。

【0064】

（反り変化量）
得られた各試料につき、常温（３０℃）から２８５℃に加熱した後冷却して３０℃とする一連の加熱試験において、２８５℃加熱時の反り量、及び２８５℃に加熱した後冷却して３０℃となった際の反り量（３０℃冷却時の反り量）を測定し、２８５℃加熱時の反り量と３０℃冷却時の反り量との変化量（反り変化量）を求めた。

【0065】

各反り量は、モアレ式三次元形状測定機（Ａｋｒｏｍｅｔｒｉｘ社製熱反り・歪み測定機 Ｔｈｅｒｍｏｉｒｅ ＰＳ２００）を用いて、ヒートシンクの第２金属層の中央（１００ｍｍ×８０ｍｍの範囲）を測定面として測定した。より具体的には、測定面のプロファイルから最小二乗面を求め、その面を基準として最高点と最低点との差の絶対値を各反り量とした。

【0066】

このように得られた反り量について反り状態に応じて正負を設定する。すなわち、測定面の中心が測定面の四隅が形成する面よりも回路層側に近い場合（第２金属層が回路層側に凸）を負（－）とし、測定面の中心が測定面の四隅が形成する面上となる場合及び測定面の中心が測定面の四隅が形成する面よりも回路層側から遠い場合（第２金属層がヒートシンク側に凸）は正（＋）の値として設定した。

【0067】

そして、（２８５℃加熱時の反り量－３０℃冷却時の反り量）の式から反り変化量を求めた。なお、反り変化量において符号はヒートシンク付き絶縁回路基板の反りの変化の向きを示しており、負（－）の場合は、回路層側に凸の状態からヒートシンク側に凸の状態に向かう反り変化を示す。

【0068】

（冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性））
実施例１－１～１－１２、比較例１－１～１－３および従来例について、電子部品を回路層にはんだ付けした試料をそれぞれ３０個製作し、－５０℃～１７５℃の間で１０００回変化させる温度サイクル試験を実行した後のはんだの接合性について評価した。はんだとしては、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだを用いた。サイクル試験終了後に、超音波探傷で電子部品とはんだの界面を観察し、2値化した後、黒色部を接合部分とし、電子部品の面積を１００％とした時の接合率を求めた。３０個の試料の接合率を求め、平均値が８０％以上であれば「Ａ」、８０％未満であれば「Ｂ」と評価した。

【0069】

（セラミックス割れの評価）
電子部品を回路層にはんだ付けした試料を３０個製作してセラミックスの割れ発生の有無を確認した。各３０個の試料のうち、はんだ付け後に絶縁回路基板のセラミックス基板が１個でも割れた場合は否「Ｂ」とし、１個も割れなかった場合は良「Ａ」と評価した。

【0070】

（冷熱サイクル信頼性の評価（セラミックス基板の割れ））
実施例１－１～１－１２、比較例１－１～１－３及び従来例のヒートシンク付き絶縁回路基板各３０個に対して、－５０℃～１７５℃の間で１０００回変化させる温度サイクル試験を実行した後、絶縁回路基板のセラミックス基板に割れがあるか否かを目視にて判定した。セラミックス基板に割れが生じた個数が７０％を超えた場合を否「Ｂ」、７０％以下だった場合を良「Ａ」と判定した。

【0071】

反り変化量、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価、セラミックス割れの評価及び冷熱サイクル信頼性の評価について、表２に結果を示す。

【0072】

【表1】

【0073】

【表2】

【0074】

表１及び表２からわかるように、実施例１－１～１－１２では、反り変化量も１．５ｍｍ以下と小さく、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）、セラミックス割れ及び冷熱サイクル信頼性（セラミックス基板）の各評価がいずれも良「Ａ」であった。

【0075】

この結果から、ヒートシンクの第１金属層の厚さＴ１及び第２金属層の厚さＴ２のいずれもが０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の場合、第１金属層の厚さＴ１が第２金属層の厚さＴ２以上（Ｔ１／Ｔ２≧１）であることが有効な範囲であることがわかった。

【0076】

一方、比較例１－１及び１－４は、反り変化量が負の値で、その値も大きいことから、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、回路層側に凸からヒートシンク側に凸の方向に大きく変形する。このような場合、素子下のはんだ外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子下のはんだの接合率が低下した。そのため、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価が「Ｂ」となった。

【0077】

比較例１－２及び１－３は、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）及びセラミックス割れの各評価が良「Ａ」であったものの、上記冷熱サイクル試験の結果、セラミックス基板が割れたので、評価が否「Ｂ」であった。このため、第１金属層の厚さが３．５ｍｍの場合は、有効な結果を得られないことがわかった。

【0078】

従来例においては、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）は良好であったものの、反り変化量が大きく、セラミックス割れ評価および冷熱サイクル信頼性評価（セラミックス基板）はいずれも良好な結果が得られなかった。

【0079】

［第２の態様に係る実験］
実施例２－１～２－１１、比較例２－１～２－６の試料を構成する絶縁回路基板としては、第１の態様に係る実験と同様に、厚さ０．６３５ｍｍ、平面サイズが１２０ｍｍ×９０ｍｍのセラミックス基板に厚さ０．４ｍｍの回路層及び厚さ０．４ｍｍの金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造した。回路層及び金属層については、表３に示す組成のものを用意した。

【0080】

実施例２－１～２－１１及び比較例２－１～２－６の試料を構成するヒートシンクとしては、厚さ０．３２ｍｍ、平面サイズが１４０ｍｍ×１００ｍｍのセラミックス基板に、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される第１金属層及び第２金属層を接合した。接合方法は、上記実施形態で述べた製造方法に準じた。第１金属層及び第２金属層については、表３に示す組成及び厚さのものを用意した。

【0081】

表中、ＯＦＣは無酸素銅（Ｏｘｙｇｅｎ－Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）、Ａ６０６３，Ａ３００３，およびＡＤＣ１２はＪＩＳ（日本工業規格）に定められるアルミニウム合金、４Ｎ－Ａｌは純度９９．９９質量％以上のいわゆる純アルミニウムを示す。

【0082】

そして、これら絶縁回路基板とヒートシンクとを上記各実施形態で述べた接合方法により接合し、得られた試料について上記第１の態様に係る実験と同様に反り変化量および冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価を行うとともに、以下に示す方法で絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性の評価を行い、これらの結果を表４に示した。

【0083】

（絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性の評価）
絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性の評価として、各試料を超音波画像測定機（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製の超音波画像測定機ＩＳ‐２００）にて絶縁回路基板の金属層とヒートシンクの第１金属層との接合界面を観察して、接合界面におけるボイド（空孔）の面積を測定した。そして、接合すべき面積に対するボイドの合計面積を各サンプルのボイド率として算出した。
ボイド率（％）＝｛（ボイドの合計面積）／（金属層１３の面積）｝×１００
ボイド率が５％未満であったものを「接合性」が良「Ａ」と評価し、ボイド率が５％を超えるものを「接合性」が否「Ｂ」と評価した。

【0084】

【表3】

【0085】

【表4】

【0086】

表３及び表４からわかるように、実施例２－１～２－１１では、反り変化量も絶対値で０．３ｍｍ以下と小さく、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の各評価がいずれも良「Ａ」であった。

【0087】

この結果から、ヒートシンクの第１金属層の厚さＴ１が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下および第２金属層の厚さＴ２が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の場合、Ｔ１／Ｔ２＜１．０であることが有効な範囲であることがわかった。

【0088】

一方、比較例２－１及び２－２は、反り変化量が負の値で、その値も大きいことから、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、ヒートシンク付き絶縁回路基板が、回路層側に凸からヒートシンク側に凸の方向に大きく変形する。このような場合、素子下のはんだ外周部に圧縮応力がかかるので、冷熱サイクルが負荷された際に、素子下のはんだの接合率が低下した。そのため、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価が「Ｂ」となった。

【0089】

比較例２－３及び２－４は、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価が良「Ａ」であったものの、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合性が悪く、その評価が否「Ｂ」であった。その原因は、第１金属層の厚さＴ１が０．１ｍｍと小さいため、セラミックス板材と第１金属層との接合時にろう材に含まれるＳｉが拡散し、第１金属層の絶縁回路基板側の面に凹凸ができるためと考えられる。

【0090】

比較例２－５及び比較例２－６は、比較例２－１及び２－２と同様に反り変化量が負の値で、その値も大きいことから、２８５℃の高温から３０℃の低温に変化する際に、素子下はんだの外周部に圧縮応力がかかるような変形をし、冷熱サイクル信頼性（素子下はんだの信頼性）の評価が「Ｂ」となった。

【産業上の利用可能性】

【0091】

ヒートシンク付き絶縁回路基板の反りを抑制できる。

【符号の説明】

【0092】

１ 絶縁回路基板
２ ２Ａ ヒートシンク
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１４ ろう材箔
２１ ２１Ａ 第１金属層
２２ ２２Ａ 第２金属層
２３ セラミックス板材
３０ 素子
３１ はんだ
１００ １００Ａ ヒートシンク付き絶縁回路基板
１２０ 回路層用金属板
１３０ 金属層用金属板
２１０ 第１金属層用金属板
２２０ 第２金属層用金属板

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】