JP2000277953A - セラミックス回路基板 - Google Patents
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- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 はんだ付けの信頼性に劣る課題、はんだ付け
により熱抵抗が増加する課題および製造コストを高めて
しまう課題を解決し、熱サイクル寿命が長く安価に大量
に製造できる、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材
を具備するセラミックス回路基板を提供する。 【解決手段】 セラミックス回路基板が、セラミックス
基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材が、Ａｌ
を介して金属的接合されてなる。セラミックス基板とＳ
ｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォームを隣接させ、
前記プリフォームに溶融したＡｌを含浸することによ
り、両者を一体に金属的接合してなる。
により熱抵抗が増加する課題および製造コストを高めて
しまう課題を解決し、熱サイクル寿命が長く安価に大量
に製造できる、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材
を具備するセラミックス回路基板を提供する。 【解決手段】 セラミックス回路基板が、セラミックス
基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材が、Ａｌ
を介して金属的接合されてなる。セラミックス基板とＳ
ｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォームを隣接させ、
前記プリフォームに溶融したＡｌを含浸することによ
り、両者を一体に金属的接合してなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ−ＳｉＣ複合
材料からなる放熱部材を具備するセラミックス回路基板
に関する。
材料からなる放熱部材を具備するセラミックス回路基板
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、産業機器の分野では、半導体スイ
ッチングデバイスを用いて大きな電力を最適な電力に効
率よく交換制御する大電力モジュールの開発が進んでお
り、例えば電動車輌用インバータとして高電圧、大電流
動作が可能なＩＧＢＴモジュールが用いられている。こ
のような大電力モジュール化に伴い、半導体チップから
発生する熱も増大している。大電力モジュール回路基板
ではこの熱を効率よく放散させるために様々な構造を採
ってきた。
ッチングデバイスを用いて大きな電力を最適な電力に効
率よく交換制御する大電力モジュールの開発が進んでお
り、例えば電動車輌用インバータとして高電圧、大電流
動作が可能なＩＧＢＴモジュールが用いられている。こ
のような大電力モジュール化に伴い、半導体チップから
発生する熱も増大している。大電力モジュール回路基板
ではこの熱を効率よく放散させるために様々な構造を採
ってきた。
【０００３】この種の回路基板として、良好な熱伝導性
を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミッ
クス基板上に銅（Ｃｕ）板を接合し、回路を形成した
後、めっきを施して半導体チップを実装したものがあ
る。ＡｌＮ基板とＣｕ板との接合は、両者の間に活性金
属を含むろう材を介在させ加熱処理して接合する活性金
属ろう付け法や、表面が酸化処理されたＡｌＮ基板とＣ
ｕ板をＣｕの融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法等がある。このＣｕ回路を接合した基
板では、Ｃｕ回路とその表面にはんだでダイボンディン
グされたシリコン半導体チップとの熱膨張差が大きいた
め、回路の作動中に繰り返し与えられる熱応力によりチ
ップ直下ではんだにクラックが生じやすい。また、Ｃｕ
回路とＡｌＮ基板の熱膨張差が大きいため、その接合部
が剥離したりＡｌＮにクラックが発生する問題があっ
た。
を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミッ
クス基板上に銅（Ｃｕ）板を接合し、回路を形成した
後、めっきを施して半導体チップを実装したものがあ
る。ＡｌＮ基板とＣｕ板との接合は、両者の間に活性金
属を含むろう材を介在させ加熱処理して接合する活性金
属ろう付け法や、表面が酸化処理されたＡｌＮ基板とＣ
ｕ板をＣｕの融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法等がある。このＣｕ回路を接合した基
板では、Ｃｕ回路とその表面にはんだでダイボンディン
グされたシリコン半導体チップとの熱膨張差が大きいた
め、回路の作動中に繰り返し与えられる熱応力によりチ
ップ直下ではんだにクラックが生じやすい。また、Ｃｕ
回路とＡｌＮ基板の熱膨張差が大きいため、その接合部
が剥離したりＡｌＮにクラックが発生する問題があっ
た。
【０００４】これに代わり、ＡｌＮ基板の両面にアルミ
ニウム（Ａｌ）板を真空ろう付けしたＤＢＡ（Direct
Brazing Aluminum）基板が採用されている。回路部を
Ｃｕに替えＡｌにしたＤＢＡ基板では、Ａｌの変形抵抗
がＣｕより小さいため、回路とＡｌＮの接合部に働く応
力を低く抑えることができる。また、シリコン半導体チ
ップのダイボンディング部では、Ａｌが塑性変形するこ
とにより回路表面の膨張量がＡｌＮのそれに近くなり、
はんだに加わる応力を低減できる。したがって、Ａｌ回
路とＡｌＮ基板との接合部が剥離しにくく接合信頼性の
高いものが得られる。また、Ａｌの比重がＣｕより小さ
いため回路基板の重量が約半分に軽量化できるメリット
もある。
ニウム（Ａｌ）板を真空ろう付けしたＤＢＡ（Direct
Brazing Aluminum）基板が採用されている。回路部を
Ｃｕに替えＡｌにしたＤＢＡ基板では、Ａｌの変形抵抗
がＣｕより小さいため、回路とＡｌＮの接合部に働く応
力を低く抑えることができる。また、シリコン半導体チ
ップのダイボンディング部では、Ａｌが塑性変形するこ
とにより回路表面の膨張量がＡｌＮのそれに近くなり、
はんだに加わる応力を低減できる。したがって、Ａｌ回
路とＡｌＮ基板との接合部が剥離しにくく接合信頼性の
高いものが得られる。また、Ａｌの比重がＣｕより小さ
いため回路基板の重量が約半分に軽量化できるメリット
もある。
【０００５】また、これらの回路基板に接合して用いら
れる放熱板材料として、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を分散させた低熱膨張
・高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料が注目され
ている（特公平７−２６１７４号、特開昭６４−８３６
３４号等参照）。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の製造方法とし
ては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法、溶融金属
含浸法等が知られている。このうち、粉末冶金法、高圧
鋳造法、真空鋳造法はその特質上、ＳｉＣの含有量を４
０体積％以上にすることが困難である、ネットシェイプ
成形が困難である、大型の加圧装置を必要とするため製
造コストが高くなるといった問題がある。
れる放熱板材料として、アルミニウムまたはアルミニウ
ム合金中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を分散させた低熱膨張
・高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料が注目され
ている（特公平７−２６１７４号、特開昭６４−８３６
３４号等参照）。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の製造方法とし
ては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法、溶融金属
含浸法等が知られている。このうち、粉末冶金法、高圧
鋳造法、真空鋳造法はその特質上、ＳｉＣの含有量を４
０体積％以上にすることが困難である、ネットシェイプ
成形が困難である、大型の加圧装置を必要とするため製
造コストが高くなるといった問題がある。
【０００６】一方、溶融金属含浸法は、ＳｉＣ粉末で形
成された多孔質プリフォームに、Ａｌインゴットを接触
させて、これを窒素雰囲気中で加圧もしくは非加圧で加
熱溶融したＡｌ合金をプリフォームに含浸させるもので
ある。この溶融金属含浸法は、ＳｉＣの含有量を２０〜
９０体積％の範囲で選択でき、またプリフォーム形状の
自由度が高いので複雑な形状の製品をネットシェイプ成
形できる利点を有する。
成された多孔質プリフォームに、Ａｌインゴットを接触
させて、これを窒素雰囲気中で加圧もしくは非加圧で加
熱溶融したＡｌ合金をプリフォームに含浸させるもので
ある。この溶融金属含浸法は、ＳｉＣの含有量を２０〜
９０体積％の範囲で選択でき、またプリフォーム形状の
自由度が高いので複雑な形状の製品をネットシェイプ成
形できる利点を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のＡｌ−ＳｉＣ複
合材料からなる放熱基板と、Ａｌ回路を有するセラミッ
クス回路基板の断面図を図４に示す。図４において、セ
ラミックス基板２はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒
化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等からなる絶縁基板である。セラ
ミックス基板２の両面にはＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して
Ａｌ回路板３、Ａｌ板４が接着される。Ａｌ回路板３の
上面には複数の半導体チップ５がはんだにより実装され
ワイヤーで配線される。放熱基板６はＡｌ−ＳｉＣ複合
材料からなり、その上面にめっきを施し、はんだ７を介
してＡｌ板４が接着される。放熱基板６の下面にグリス
等を介在させ、放熱基板６と例えば放熱フィンを有する
ベースのヒートシンク８とをねじ１０で締結する。この
ようなセラミックス回路基板１では、半導体チップ５等
から発生した熱ははんだ、Ａｌ回路板３、セラミックス
基板２、Ａｌ板４、はんだ７、放熱基板６を経由してヒ
ートシンク８の表面から放散される。
合材料からなる放熱基板と、Ａｌ回路を有するセラミッ
クス回路基板の断面図を図４に示す。図４において、セ
ラミックス基板２はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒
化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等からなる絶縁基板である。セラ
ミックス基板２の両面にはＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して
Ａｌ回路板３、Ａｌ板４が接着される。Ａｌ回路板３の
上面には複数の半導体チップ５がはんだにより実装され
ワイヤーで配線される。放熱基板６はＡｌ−ＳｉＣ複合
材料からなり、その上面にめっきを施し、はんだ７を介
してＡｌ板４が接着される。放熱基板６の下面にグリス
等を介在させ、放熱基板６と例えば放熱フィンを有する
ベースのヒートシンク８とをねじ１０で締結する。この
ようなセラミックス回路基板１では、半導体チップ５等
から発生した熱ははんだ、Ａｌ回路板３、セラミックス
基板２、Ａｌ板４、はんだ７、放熱基板６を経由してヒ
ートシンク８の表面から放散される。
【０００８】上記従来例のセラミックス回路基板におい
ては、半導体チップを実装したセラミックス基板（セラ
ミックス基板２にＡｌ回路板３、Ａｌ板４を接着したＤ
ＢＡ基板を指す）と、放熱基板６とをはんだ７付けで接
着する。そのため、回路の作動中に繰り返し熱応力が与
えられると、セラミックス基板と放熱基板６の熱膨張差
によりはんだ接合面が剥離するおそれがあり、はんだ付
けの信頼性に劣る課題がある。
ては、半導体チップを実装したセラミックス基板（セラ
ミックス基板２にＡｌ回路板３、Ａｌ板４を接着したＤ
ＢＡ基板を指す）と、放熱基板６とをはんだ７付けで接
着する。そのため、回路の作動中に繰り返し熱応力が与
えられると、セラミックス基板と放熱基板６の熱膨張差
によりはんだ接合面が剥離するおそれがあり、はんだ付
けの信頼性に劣る課題がある。
【０００９】また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（放熱基板
６）ではＡｌが低融点のためＡｌが溶けてしまうような
高熱伝導のろう材を用いてセラミックス基板を接着する
ことができない。さらに半導体チップ５をセラミックス
基板にはんだで接着させた後、放熱基板６を接着させる
ので、半導体チップ５の接着に用いたはんだに比べ低融
点のはんだ７でセラミックス基板と放熱基板６を接着さ
せる必要がある。したがって、通常、セラミックス基板
と放熱基板６の接着は低融点のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ、
もしくはそれに近いはんだが用いられる。これらのはん
だは一般に熱伝導率が低いため接着による熱抵抗が増加
し、回路基板全体の放熱能力を低下させるという課題が
ある。
６）ではＡｌが低融点のためＡｌが溶けてしまうような
高熱伝導のろう材を用いてセラミックス基板を接着する
ことができない。さらに半導体チップ５をセラミックス
基板にはんだで接着させた後、放熱基板６を接着させる
ので、半導体チップ５の接着に用いたはんだに比べ低融
点のはんだ７でセラミックス基板と放熱基板６を接着さ
せる必要がある。したがって、通常、セラミックス基板
と放熱基板６の接着は低融点のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ、
もしくはそれに近いはんだが用いられる。これらのはん
だは一般に熱伝導率が低いため接着による熱抵抗が増加
し、回路基板全体の放熱能力を低下させるという課題が
ある。
【００１０】また、セラミックス基板２の両面に接着さ
れるＡｌ回路板３、Ａｌ板４を準備する必要があり、そ
れらの接着の際にはＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を必要とす
る。さらには、放熱基板６を接着させるはんだ７を必要
とするため、セラミックス回路基板の製作が煩雑となり
製造コストを高めてしまう課題がある。
れるＡｌ回路板３、Ａｌ板４を準備する必要があり、そ
れらの接着の際にはＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を必要とす
る。さらには、放熱基板６を接着させるはんだ７を必要
とするため、セラミックス回路基板の製作が煩雑となり
製造コストを高めてしまう課題がある。
【００１１】したがって、本発明の目的は、はんだ付け
の信頼性に劣る課題、はんだ付けにより熱抵抗が増加す
る課題および製造コストを高めてしまう課題を解決し、
熱サイクル寿命が長く安価に大量に製造できる、Ａｌ−
ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材を具備するセラミック
ス回路基板を提供することである。
の信頼性に劣る課題、はんだ付けにより熱抵抗が増加す
る課題および製造コストを高めてしまう課題を解決し、
熱サイクル寿命が長く安価に大量に製造できる、Ａｌ−
ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材を具備するセラミック
ス回路基板を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者は、低熱膨張、
高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱
部材を製造する工程のなかで、ＳｉＣ粉末で形成された
多孔質プリフォームに、加熱溶融したＡｌ金属またはＡ
ｌ合金を含浸させる際に、セラミックス基板とＳｉＣプ
リフォームを隣接させた状態で含浸させて一体接合する
ことにより本発明の目的を達成することを見出し本発明
に想到した。
高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱
部材を製造する工程のなかで、ＳｉＣ粉末で形成された
多孔質プリフォームに、加熱溶融したＡｌ金属またはＡ
ｌ合金を含浸させる際に、セラミックス基板とＳｉＣプ
リフォームを隣接させた状態で含浸させて一体接合する
ことにより本発明の目的を達成することを見出し本発明
に想到した。
【００１３】すなわち、本発明に係わるセラミックス回
路基板は、セラミックス基板と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
からなる放熱部材が、Ａｌを介して金属的接合されたこ
とを特徴とする。また、セラミックス基板と、Ａｌ−Ｓ
ｉＣ複合材料からなる放熱部材が、Ａｌ−ＳｉＣ複合材
料に含浸されたＡｌを介して金属的接合されたことを特
徴とする。別の表現をすれば、本発明に係わるセラミッ
クス回路基板は、セラミックス基板とＳｉＣ粉末で形成
された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォー
ムに溶融したＡｌを含浸させることにより両者を一体に
金属的接合し形成したことを特徴とする。ＳｉＣプリフ
ォームにＡｌを含浸させる際に、溶融したＡｌが、Ｓｉ
ＣプリフォームとＳｉＣプリフォームを装入した型の内
壁との隙間を通り、またＳｉＣプリフォーム中を含浸し
て通り、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との
接合界面に介在して金属的接合される。したがって、セ
ラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合のために
介在したＡｌは、ＳｉＣプリフォームに含浸されたＡｌ
と組成は実質的に同じとなる。また、本発明において、
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌによりセラミッ
クス基板の表面に半導体チップ搭載用のＡｌ回路部を形
成してもよい。
路基板は、セラミックス基板と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
からなる放熱部材が、Ａｌを介して金属的接合されたこ
とを特徴とする。また、セラミックス基板と、Ａｌ−Ｓ
ｉＣ複合材料からなる放熱部材が、Ａｌ−ＳｉＣ複合材
料に含浸されたＡｌを介して金属的接合されたことを特
徴とする。別の表現をすれば、本発明に係わるセラミッ
クス回路基板は、セラミックス基板とＳｉＣ粉末で形成
された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォー
ムに溶融したＡｌを含浸させることにより両者を一体に
金属的接合し形成したことを特徴とする。ＳｉＣプリフ
ォームにＡｌを含浸させる際に、溶融したＡｌが、Ｓｉ
ＣプリフォームとＳｉＣプリフォームを装入した型の内
壁との隙間を通り、またＳｉＣプリフォーム中を含浸し
て通り、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との
接合界面に介在して金属的接合される。したがって、セ
ラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合のために
介在したＡｌは、ＳｉＣプリフォームに含浸されたＡｌ
と組成は実質的に同じとなる。また、本発明において、
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌによりセラミッ
クス基板の表面に半導体チップ搭載用のＡｌ回路部を形
成してもよい。
【００１４】このように構成した本発明のセラミックス
回路基板では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料を溶融金属含浸法
で製造するのでＳｉＣの含有量を多くすることができ、
熱膨張係数および熱伝導率を広範囲にコントロールでき
る。また、ＳｉＣプリフォーム形状を自由に変えやす
く、平板形状のみならず複雑な形状の製品でもネットシ
ェイプ成形できる。セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複
合材料をＡｌ含浸時に両者を一体接合するので、従来の
ようなはんだ付けの信頼性劣化および熱抵抗が増加する
問題がなくなり熱サイクル寿命が長くなる。また、Ａｌ
−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌによりセラミックス
基板の表面にＡｌ回路部を形成した場合は、従来のＡｌ
回路板、ろう材が不要となる。したがって、セラミック
ス回路基板の製作が容易になり製造コストを安価にでき
る。
回路基板では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料を溶融金属含浸法
で製造するのでＳｉＣの含有量を多くすることができ、
熱膨張係数および熱伝導率を広範囲にコントロールでき
る。また、ＳｉＣプリフォーム形状を自由に変えやす
く、平板形状のみならず複雑な形状の製品でもネットシ
ェイプ成形できる。セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複
合材料をＡｌ含浸時に両者を一体接合するので、従来の
ようなはんだ付けの信頼性劣化および熱抵抗が増加する
問題がなくなり熱サイクル寿命が長くなる。また、Ａｌ
−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌによりセラミックス
基板の表面にＡｌ回路部を形成した場合は、従来のＡｌ
回路板、ろう材が不要となる。したがって、セラミック
ス回路基板の製作が容易になり製造コストを安価にでき
る。
【００１５】本発明において、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料か
らなる放熱部材は、平板状の放熱基板、放熱フィン等を
設けたヒートシンク、枠体状のパッケージ等いずれの形
態でも構わない。また、セラミックス回路基板の放熱部
材の一部にねじ孔をあけ、放熱機能をさらに上げるため
に別個に設けたヒートシンクとねじ等の締結部材で締結
してもよい。このねじ孔は、予めねじ孔に該当する孔を
設けたＳｉＣプリフォームにＡｌを含浸させて形成して
もよい。
らなる放熱部材は、平板状の放熱基板、放熱フィン等を
設けたヒートシンク、枠体状のパッケージ等いずれの形
態でも構わない。また、セラミックス回路基板の放熱部
材の一部にねじ孔をあけ、放熱機能をさらに上げるため
に別個に設けたヒートシンクとねじ等の締結部材で締結
してもよい。このねじ孔は、予めねじ孔に該当する孔を
設けたＳｉＣプリフォームにＡｌを含浸させて形成して
もよい。
【００１６】また、セラミックス基板と、Ａｌ−ＳｉＣ
複合材料からなる放熱部材の接合面間に接合のために介
在するＡｌの厚さは、接合強度、熱伝導性を考慮すると
１０〜１００μｍ、好ましくは３０〜５０μｍが適して
いる。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されるＡｌは純Ａ
ｌ、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ
−Ｃｕ系合金が好ましい。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、Ｓ
ｉＣの含有量が２０〜９０体積％で好ましくは４０〜８
０体積％であり、熱膨張係数が４×１０-6〜２０×１０
-6／Ｋ、熱伝導率が１５０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であ
ることが望ましい。
複合材料からなる放熱部材の接合面間に接合のために介
在するＡｌの厚さは、接合強度、熱伝導性を考慮すると
１０〜１００μｍ、好ましくは３０〜５０μｍが適して
いる。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されるＡｌは純Ａ
ｌ、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ
−Ｃｕ系合金が好ましい。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、Ｓ
ｉＣの含有量が２０〜９０体積％で好ましくは４０〜８
０体積％であり、熱膨張係数が４×１０-6〜２０×１０
-6／Ｋ、熱伝導率が１５０〜２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であ
ることが望ましい。
【００１７】ＳｉＣ粉末のプリフォームを成形する方法
は、Ａｌが含浸を完了するまで形態を保っておりかつ含
浸を阻害しないのであれば沈降成形法、射出成形法、Ｃ
ＩＰ法など公知の方法でよい。ＳｉＣプリフォームにＡ
ｌを含浸させる方法も加圧する、非加圧で行う等の条件
に限定はなく公知の方法でよい。溶融金属含浸法のなか
でも、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の含浸完了後、Ａｌ−Ｓｉ
Ｃ複合材料の表面にＳｉＣ粉末が露出せず、セラミック
ス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合面間にＡｌが介在
するのみならず、接合面間以外のＡｌ−ＳｉＣ複合材料
表面全体にわたっても含浸Ａｌのリッチな被覆層が形成
されるものが、品質上、加工性等の点から望ましい。ま
た、セラミックス基板が熱伝導率に優れたＡｌＮ、耐熱
性に優れたＡｌ2Ｏ3、熱伝導率および曲げ強度に優れた
Ｓｉ3Ｎ4のいずれかが好ましい。
は、Ａｌが含浸を完了するまで形態を保っておりかつ含
浸を阻害しないのであれば沈降成形法、射出成形法、Ｃ
ＩＰ法など公知の方法でよい。ＳｉＣプリフォームにＡ
ｌを含浸させる方法も加圧する、非加圧で行う等の条件
に限定はなく公知の方法でよい。溶融金属含浸法のなか
でも、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の含浸完了後、Ａｌ−Ｓｉ
Ｃ複合材料の表面にＳｉＣ粉末が露出せず、セラミック
ス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合面間にＡｌが介在
するのみならず、接合面間以外のＡｌ−ＳｉＣ複合材料
表面全体にわたっても含浸Ａｌのリッチな被覆層が形成
されるものが、品質上、加工性等の点から望ましい。ま
た、セラミックス基板が熱伝導率に優れたＡｌＮ、耐熱
性に優れたＡｌ2Ｏ3、熱伝導率および曲げ強度に優れた
Ｓｉ3Ｎ4のいずれかが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１に本発明第１のセラミックス回路基
板の断面図を示す。図１において、セラミックス基板２
はＳｉ3Ｎ4からなる絶縁基板である。１１はセラミック
ス基板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路１
１の上面には複数の半導体チップ５をはんだにより接着
する。６はＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱基板であ
り、セラミックス基板２の下面と放熱基板６の上面と
が、放熱基板６に含浸させたＡｌ９により接合されてい
る。セラミックス基板２と放熱基板６の接合面間に介在
するＡｌ９の厚さは３０μｍであった。
いて説明する。図１に本発明第１のセラミックス回路基
板の断面図を示す。図１において、セラミックス基板２
はＳｉ3Ｎ4からなる絶縁基板である。１１はセラミック
ス基板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路１
１の上面には複数の半導体チップ５をはんだにより接着
する。６はＡｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱基板であ
り、セラミックス基板２の下面と放熱基板６の上面と
が、放熱基板６に含浸させたＡｌ９により接合されてい
る。セラミックス基板２と放熱基板６の接合面間に介在
するＡｌ９の厚さは３０μｍであった。
【００１９】このように構成したセラミックス回路基板
１の製造方法について説明する。まず、ＳｉＣ粉末に結
合剤などの溶媒を加え、これを攪拌機で混合してＳｉＣ
のスラリーを得た。スラリーを金型に注入して成形後、
冷却して脱型した。これを乾燥してＳｉＣの含有量が６
０体積％となるプリフォームを形成した。ＳｉＣプリフ
ォームの上にＳｉ3Ｎ4のセラミックス基板２を積み重ね
た状態で型に装入した。ＳｉＣプリフォームおよびセラ
ミックス基板２と型の内壁との間に所定の隙間を確保し
た。
１の製造方法について説明する。まず、ＳｉＣ粉末に結
合剤などの溶媒を加え、これを攪拌機で混合してＳｉＣ
のスラリーを得た。スラリーを金型に注入して成形後、
冷却して脱型した。これを乾燥してＳｉＣの含有量が６
０体積％となるプリフォームを形成した。ＳｉＣプリフ
ォームの上にＳｉ3Ｎ4のセラミックス基板２を積み重ね
た状態で型に装入した。ＳｉＣプリフォームおよびセラ
ミックス基板２と型の内壁との間に所定の隙間を確保し
た。
【００２０】ＳｉＣプリフォームおよびセラミックス基
板２を装入した型を容器内に複数段積み重ね、さらにそ
の上にＡｌ−７重量％ＳｉのＡｌ合金インゴットを置
き、Ａｌ合金のインゴットを加熱溶融した後、溶融Ａｌ
を圧入し含浸させた。含浸完了、冷却後、型を解体し
た。その結果、セラミックス基板２とＡｌ−ＳｉＣ複合
材料からなる放熱基板６とは、ＳｉＣのプリフォームに
含浸させたＡｌ９を介して接合されていた。これは、Ｓ
ｉＣプリフォームにＡｌを含浸させる際に、溶融したＡ
ｌが、ＳｉＣプリフォームとＳｉＣプリフォームを装入
した型の内壁との隙間を通り、またＳｉＣプリフォーム
中を含浸して通り、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複
合材料との接合界面に介在して金属的接合された。ま
た、Ａｌを含浸させる際、同時にセラミックス基板２の
上面にＡｌ被覆層を形成させた。前述同様、溶融したＡ
ｌが、セラミックス基板の上面とこれを装入した型の内
壁との隙間を通り、Ａｌ被覆層が形成された。このＡｌ
被覆層を形成した後、これをエッチングすることにより
所定パターンのＡｌ回路１１を作成した。ただし、本発
明においてはこのようにＡｌ回路部を成形と同時に形成
してもよいが、予め上面にＡｌ板を接着させたセラミッ
クス基板２をＳｉＣプリフォームに隣接させ、ＳｉＣプ
リフォームにＡｌを含浸することにより、両者を接合さ
せてセラミックス回路基板１を作製してもよいし、セラ
ミックス基板２とＳｉＣプリフォームをＡｌ含浸により
接合させた後、所定パターンのＡｌ回路板を接着しても
よい。
板２を装入した型を容器内に複数段積み重ね、さらにそ
の上にＡｌ−７重量％ＳｉのＡｌ合金インゴットを置
き、Ａｌ合金のインゴットを加熱溶融した後、溶融Ａｌ
を圧入し含浸させた。含浸完了、冷却後、型を解体し
た。その結果、セラミックス基板２とＡｌ−ＳｉＣ複合
材料からなる放熱基板６とは、ＳｉＣのプリフォームに
含浸させたＡｌ９を介して接合されていた。これは、Ｓ
ｉＣプリフォームにＡｌを含浸させる際に、溶融したＡ
ｌが、ＳｉＣプリフォームとＳｉＣプリフォームを装入
した型の内壁との隙間を通り、またＳｉＣプリフォーム
中を含浸して通り、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複
合材料との接合界面に介在して金属的接合された。ま
た、Ａｌを含浸させる際、同時にセラミックス基板２の
上面にＡｌ被覆層を形成させた。前述同様、溶融したＡ
ｌが、セラミックス基板の上面とこれを装入した型の内
壁との隙間を通り、Ａｌ被覆層が形成された。このＡｌ
被覆層を形成した後、これをエッチングすることにより
所定パターンのＡｌ回路１１を作成した。ただし、本発
明においてはこのようにＡｌ回路部を成形と同時に形成
してもよいが、予め上面にＡｌ板を接着させたセラミッ
クス基板２をＳｉＣプリフォームに隣接させ、ＳｉＣプ
リフォームにＡｌを含浸することにより、両者を接合さ
せてセラミックス回路基板１を作製してもよいし、セラ
ミックス基板２とＳｉＣプリフォームをＡｌ含浸により
接合させた後、所定パターンのＡｌ回路板を接着しても
よい。
【００２１】本実施例のセラミックス回路基板では、放
熱基板６の熱膨張係数は１０×１０ -6／Ｋ、熱伝導率は
１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、良好な低熱膨張・高熱伝
導特性を有していた。本発明のセラミックス回路基板１
では、半導体チップ５等から発生した熱はチップ直下の
はんだ、Ａｌ回路１１、セラミックス基板２、接合面間
に介在したＡｌ９、放熱基板６を経由して放散される。
熱基板６の熱膨張係数は１０×１０ -6／Ｋ、熱伝導率は
１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、良好な低熱膨張・高熱伝
導特性を有していた。本発明のセラミックス回路基板１
では、半導体チップ５等から発生した熱はチップ直下の
はんだ、Ａｌ回路１１、セラミックス基板２、接合面間
に介在したＡｌ９、放熱基板６を経由して放散される。
【００２２】図２は本発明第２のセラミックス回路基板
の断面図を示す。図２において、セラミックス基板２は
ＡｌＮからなる絶縁基板である。１１はセラミックス基
板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路板１１
の上面には複数の半導体チップ５を搭載する。８はＡｌ
−ＳｉＣ複合材料からなる放熱フィンを有するヒートシ
ンクであり、セラミックス基板２の下面とヒートシンク
８の上面が、ヒートシンク８に含浸させたＡｌ９を介し
て接合されている。前記本発明の第１のセラミックス回
路基板と同様に製造し、放熱フィンを有する複雑な形状
のヒートシンク８をネットシェイプ成形できた。
の断面図を示す。図２において、セラミックス基板２は
ＡｌＮからなる絶縁基板である。１１はセラミックス基
板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路板１１
の上面には複数の半導体チップ５を搭載する。８はＡｌ
−ＳｉＣ複合材料からなる放熱フィンを有するヒートシ
ンクであり、セラミックス基板２の下面とヒートシンク
８の上面が、ヒートシンク８に含浸させたＡｌ９を介し
て接合されている。前記本発明の第１のセラミックス回
路基板と同様に製造し、放熱フィンを有する複雑な形状
のヒートシンク８をネットシェイプ成形できた。
【００２３】図３は本発明第３のセラミックス回路基板
の断面図を示す。図３において、セラミックス基板２は
Ｓｉ3Ｎ4からなる絶縁基板である。１１はセラミックス
基板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路板１
１の上面には複数の半導体チップ５を搭載する。１２は
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる四角枠体状のパッケージ
である。セラミックス基板２の側面とパッケージ１２の
側面が、パッケージ１２に含浸させたＡｌ９を介して接
合されている。また、セラミックス基板２の下面とパッ
ケージ１２の上面もＡｌ９を介して接合され、パッケー
ジ１２の各々の枠同士がＡｌ９により連結している。こ
のセラミックス回路基板１を前記本発明の第１のセラミ
ックス回路基板と同様に製造した後、パッケージ１２の
下面にグリス等を介在させ、パッケージ１２に設けたね
じ孔を利用して、パッケージ１２と別個に設けたヒート
シンク１３をねじ１０で締結した。
の断面図を示す。図３において、セラミックス基板２は
Ｓｉ3Ｎ4からなる絶縁基板である。１１はセラミックス
基板２の表面に形成したＡｌ回路である。Ａｌ回路板１
１の上面には複数の半導体チップ５を搭載する。１２は
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる四角枠体状のパッケージ
である。セラミックス基板２の側面とパッケージ１２の
側面が、パッケージ１２に含浸させたＡｌ９を介して接
合されている。また、セラミックス基板２の下面とパッ
ケージ１２の上面もＡｌ９を介して接合され、パッケー
ジ１２の各々の枠同士がＡｌ９により連結している。こ
のセラミックス回路基板１を前記本発明の第１のセラミ
ックス回路基板と同様に製造した後、パッケージ１２の
下面にグリス等を介在させ、パッケージ１２に設けたね
じ孔を利用して、パッケージ１２と別個に設けたヒート
シンク１３をねじ１０で締結した。
【００２４】これら本発明の第１〜第３のセラミックス
回路基板を用いたモジュールを、−４０℃〜室温〜＋１
２５℃を１サイクルとして１０００サイクルの冷熱サイ
クル試験にかけた結果、含浸させたＡｌ９による接合は
強固でセラミックス基板２と放熱基板６（ヒートシンク
８、パッケージ１２）の接合面が剥離することがなく、
熱サイクル寿命が長く接合信頼性の高いものが得られ
た。また、セラミックス基板２と放熱基板６が一体に接
合された状態で小サンプルを切り出し、その小サンプル
全体の熱伝導率を測定した。その結果、セラミックス単
体もしくはＡｌ−ＳｉＣ複合材料単体に近似した熱伝導
率が得られた。このことから、セラミックス基板２と放
熱基板６の間にはんだが介在することにより問題となる
熱抵抗を抑えられることが確認できた。
回路基板を用いたモジュールを、−４０℃〜室温〜＋１
２５℃を１サイクルとして１０００サイクルの冷熱サイ
クル試験にかけた結果、含浸させたＡｌ９による接合は
強固でセラミックス基板２と放熱基板６（ヒートシンク
８、パッケージ１２）の接合面が剥離することがなく、
熱サイクル寿命が長く接合信頼性の高いものが得られ
た。また、セラミックス基板２と放熱基板６が一体に接
合された状態で小サンプルを切り出し、その小サンプル
全体の熱伝導率を測定した。その結果、セラミックス単
体もしくはＡｌ−ＳｉＣ複合材料単体に近似した熱伝導
率が得られた。このことから、セラミックス基板２と放
熱基板６の間にはんだが介在することにより問題となる
熱抵抗を抑えられることが確認できた。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セ
ラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料をＡｌ含浸時に
両者を一体接合するので、セラミックス回路基板の製作
が容易になり製造コストを安価にできる。セラミックス
基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合界面の熱抵抗を最小
に抑えることができる等の効果がある。
ラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料をＡｌ含浸時に
両者を一体接合するので、セラミックス回路基板の製作
が容易になり製造コストを安価にできる。セラミックス
基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合界面の熱抵抗を最小
に抑えることができる等の効果がある。
【図１】本発明第１のセラミックス回路基板の断面図を
示す。
示す。
【図２】本発明第２のセラミックス回路基板の断面図を
示す。
示す。
【図３】本発明第３のセラミックス回路基板の断面図を
示す。
示す。
【図４】従来のセラミックス回路基板の断面図を示す。
１ セラミックス回路基板、 ２ セラミックス基板、
３ Ａｌ回路板、４ Ａｌ板、 ５ 半導体チップ、
６ 放熱基板、 ７ はんだ、８ ヒートシンク、
９ Ａｌ、 １０ ねじ、 １１ Ａｌ回路、１２ パ
ッケージ、 １３ ヒートシンク
３ Ａｌ回路板、４ Ａｌ板、 ５ 半導体チップ、
６ 放熱基板、 ７ はんだ、８ ヒートシンク、
９ Ａｌ、 １０ ねじ、 １１ Ａｌ回路、１２ パ
ッケージ、 １３ ヒートシンク
Claims (11)
- 【請求項１】 セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材
料からなる放熱部材が、Ａｌを介して金属的接合された
ことを特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項２】 セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材
料からなる放熱部材が、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸さ
れたＡｌを介して金属的接合されたことを特徴とするセ
ラミックス回路基板。 - 【請求項３】 セラミックス基板とＳｉＣ粉末で形成さ
れた多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォーム
に溶融したＡｌを含浸することにより、両者を一体に金
属的接合したことを特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項４】 Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌ
により、セラミックス基板の表面にＡｌ回路部を形成し
たことを特徴とする請求項１〜３に記載のセラミックス
回路基板。 - 【請求項５】 Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる放熱部材
が放熱基板、ヒートシンク、パッケージのいずれかであ
ることを特徴とする請求項１〜４に記載のセラミックス
回路基板。 - 【請求項６】 請求項１〜５に記載のセラミックス回路
基板と、別個に設けたヒートシンクとを締結部材で締結
したことを特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項７】 セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材
料からなる放熱部材の接合面間に介在するＡｌの厚さが
１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜６
に記載のセラミックス回路基板。 - 【請求項８】 Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に含浸されたＡｌ
が純Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合
金、Ａｌ−Ｃｕ系合金のいずれかであることを特徴とす
る請求項１〜７に記載のセラミックス回路基板。 - 【請求項９】 Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、ＳｉＣの含有
量が２０〜９０体積％であることを特徴とする請求項１
〜８に記載のセラミックス回路基板。 - 【請求項１０】 Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、熱膨張係数
が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、熱伝導率が１５０〜
２８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることを特徴とする請求項１
〜９に記載のセラミックス回路基板。 - 【請求項１１】 セラミックス基板がＡｌＮ、Ａｌ
2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4のいずれかであることを特徴とする請求
項１〜１０に記載のセラミックス回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7786799A JP2000277953A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | セラミックス回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7786799A JP2000277953A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | セラミックス回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277953A true JP2000277953A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13646016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7786799A Pending JP2000277953A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | セラミックス回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000277953A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002045161A1 (en) * | 2000-11-29 | 2002-06-06 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Integral-type ceramic circuit board and method of producing same |
| JP2003008177A (ja) * | 2001-06-18 | 2003-01-10 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 一体型セラミックス回路基板製造方法 |
| CN100364071C (zh) * | 2005-11-10 | 2008-01-23 | 北京科技大学 | 用粉末注射成形/压力熔浸法制备电子封装材料的方法 |
| WO2008123172A1 (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-16 | Ngk Insulators, Ltd. | ヒートスプレッダモジュール、ヒートシンク及びそれらの製法 |
| JP2010258458A (ja) * | 2010-04-26 | 2010-11-11 | Dowa Holdings Co Ltd | セラミックス絶縁基板一体型金属−セラミックス複合体放熱板及びその製造方法 |
| WO2012102267A1 (ja) | 2011-01-28 | 2012-08-02 | 株式会社日立製作所 | 回路基板、及びそれを用いた半導体装置 |
| JP2014187252A (ja) * | 2013-03-25 | 2014-10-02 | Hitachi Power Semiconductor Device Ltd | 接合材、接合構造体およびその製造方法、並びに半導体モジュール |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP7786799A patent/JP2000277953A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002045161A1 (en) * | 2000-11-29 | 2002-06-06 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Integral-type ceramic circuit board and method of producing same |
| US7130174B2 (en) * | 2000-11-29 | 2006-10-31 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Integral-type ceramic circuit board and method of producing same |
| US7207105B2 (en) | 2000-11-29 | 2007-04-24 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for producing an integral ceramic circuit board |
| JP2003008177A (ja) * | 2001-06-18 | 2003-01-10 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 一体型セラミックス回路基板製造方法 |
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| CN100364071C (zh) * | 2005-11-10 | 2008-01-23 | 北京科技大学 | 用粉末注射成形/压力熔浸法制备电子封装材料的方法 |
| WO2008123172A1 (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-16 | Ngk Insulators, Ltd. | ヒートスプレッダモジュール、ヒートシンク及びそれらの製法 |
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| WO2012102267A1 (ja) | 2011-01-28 | 2012-08-02 | 株式会社日立製作所 | 回路基板、及びそれを用いた半導体装置 |
| JP2014187252A (ja) * | 2013-03-25 | 2014-10-02 | Hitachi Power Semiconductor Device Ltd | 接合材、接合構造体およびその製造方法、並びに半導体モジュール |
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