JP2001077485A

JP2001077485A - セラミック基板と金属放熱器の接合構造

Info

Publication number: JP2001077485A
Application number: JP24663999A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakamoto; 広治坂元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-23
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP4309522B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷熱環境下においても優れた放熱性能を有する
セラミック基板と金属放熱器の接合構造を提供する。【解決手段】セラミック基板と金属放熱器の接合構造に
おいて、セラミック基板の一方の面に金属回路が、他方
の面に金属放熱器が接合層を介して形成されてなり、上
記接合層を熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０
μｍ〜３００μｍとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、Ｎ
₂雰囲気中で加熱するいわゆるＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ
ＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ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３
７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
せたセラミック基板と金属放熱器の接合構造を特徴とす
る。

【００１２】また本発明は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、旅行名放熱性を得られな
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２０μ
ｍ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３００
μｍ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、５
０〜２００μｍ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−Ｐ
ｂ、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１
５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７５
ＧＰａ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、３．０
ｍｍ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、１
０μｍ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Ｃ
ｕ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２０
０〜３００℃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１
０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２
０μｍ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２０
ｍｍのアルミニウムを用い、セラミックヒータチップ１
０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１
４％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２０
μｍ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−Ｐ
ｂ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．４
６〜４８、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／ｍ
ｍ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０．５〜３μ
ｍ／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２０
μｍ〜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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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を特徴とするセラミ
ック基板と金属放熱器の接合構造。
【請求項２】上記セラミック基板と金属放熱器の接合面
における未接合部の面積比が１５％以下であることを特
徴とする請求項１記載のセラミック基板と金属放熱器の
接合構造。
【請求項３】上記接合層がＩｎ又は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。
【請求項４】上記接合層がヤング率７５ＧＰａ以下のＡ
ｌ−Ｓｉ系のろう材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。
【請求項５】上記セラミック基板の厚みが０．５〜３．
０ｍｍであり、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１
０μｍ以下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。
【請求項６】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４００Ｇ
Ｐａ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。