JP2001217362A - Laminated heat dissipating member, power semiconductor device using it, and method of production - Google Patents

Laminated heat dissipating member, power semiconductor device using it, and method of production

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JP2001217362A
JP2001217362A JP2000023424A JP2000023424A JP2001217362A JP 2001217362 A JP2001217362 A JP 2001217362A JP 2000023424 A JP2000023424 A JP 2000023424A JP 2000023424 A JP2000023424 A JP 2000023424A JP 2001217362 A JP2001217362 A JP 2001217362A
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insulating substrate
metal
brazing material
laminated heat
based composite
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JP2000023424A
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Japanese (ja)
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Masahiro Kida
雅裕 来田
Takahiro Ishikawa
貴浩 石川
Kiyoshi Araki
清 新木
Hiroki Bessho
裕樹 別所
Takuma Makino
琢磨 牧野
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated heat dissipating member comprising a bonded body of a metal based composite material and an insulating substrate imparted with a heat sink function excellent in heat dissipation properties and heat cycle characteristics in which cracking due to difference in the coefficient of thermal expansion between the insulating substrate, i.e., a heat dissipating plate, and the metal based composite material is substantially eliminated, a power semiconductor device comprising the laminated heat dissipating member and the laminated heat dissipating member, and a method for producing a power semiconductor device comprising the laminated heat dissipating member. SOLUTION: The laminated heat dissipating member comprising the bonded body of the metal based composite material and the insulating substrate imparted with a heat sink function is produced by a method comprising a step for treating the bonding surface of the insulating substrate previously in order to ensure wettability to a soldering material or a metal, as required, a step for mounting ceramic particles previously surface treated in order to ensure wettability to the soldering material or the metal on the insulating substrate, a step for placing the soldering material on the ceramic particles, and a step for producing the metal based composite material reacted on the soldering material by thermally fusing the soldering material to make it permeate into the gap between the ceramic particles and bonding the metal based composite material to the insulating substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、電子部品等のヒ
ートシンク、すなわち、放熱板等として有用なセラミッ
クスと金属との金属基複合材の製造方法、および同製造
方法により製造された金属基複合材に関する。
The present invention relates to a method of manufacturing a metal-based composite of ceramics and metal useful as a heat sink for electronic components, that is, a heat sink, and a metal-based composite manufactured by the method. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】 従来のパワー半導体装置としては、例
えば、図3に示されたような装置が知られている。従来
のパワー半導体装置における主要部の構成を示す断面図
である図3に従い、従来の技術を説明する。図3におい
て、101はパワー半導体装置、102はIGBT等か
ら成る半導体チップ、103は半導体チップ102で発
生する熱を放熱するための放熱板もしくはヒートシン
ク、104は半導体チップ102を前記放熱板もしくは
ヒートシンク103から絶縁するための窒化アルミニウ
ム等からなるセラミック板、105aはセラミック板1
04の上面に設けられた第1の金属電極、105bはセ
ラミック板104の下面に設けられた第2の金属電極、
106aはセラミック板104と第2の金属電極105
aとを接着する第1のろうペースト、106bはセラミ
ック板104と第2の金属電極105bとを接着する第
2のろうペースト、107aは半導体チップ102と第
1の金属電極105aとを接着する第1の半田、107
bは前記放熱板もしくはヒートシンク103と第1の金
属電極105bとを接着する第2の半田、108aは半
導体チップ102に接続するアルミニウムから成る第1
の金属ワイヤ、108bは第1の金属電極105aに接
続するアルミニウムから成る第2の金属ワイヤ、109
は半導体チップ102、セラミック板104、第1の金
属電極105a及び第2の金属電極105b等を覆い、
封止するシリコンゲルである。
2. Description of the Related Art As a conventional power semiconductor device, for example, a device as shown in FIG. 3 is known. The prior art will be described with reference to FIG. 3, which is a cross-sectional view showing a configuration of a main part in a conventional power semiconductor device. 3, reference numeral 101 denotes a power semiconductor device; 102, a semiconductor chip made of IGBT or the like; 103, a heat radiating plate or heat sink for radiating heat generated in the semiconductor chip 102; 105a is a ceramic plate made of aluminum nitride or the like for insulation from
A first metal electrode 105b provided on the upper surface of the ceramic plate 104; a second metal electrode provided on the lower surface of the ceramic plate 104;
106a is a ceramic plate 104 and a second metal electrode 105
a, a first brazing paste for bonding the ceramic plate 104 and the second metal electrode 105b; and 107a, a second brazing paste for bonding the semiconductor chip 102 and the first metal electrode 105a. 1 solder, 107
b is a second solder for bonding the heat sink or heat sink 103 to the first metal electrode 105b, and 108a is a first solder made of aluminum to be connected to the semiconductor chip 102.
108b is a second metal wire made of aluminum and connected to the first metal electrode 105a.
Covers the semiconductor chip 102, the ceramic plate 104, the first metal electrode 105a and the second metal electrode 105b,
Silicon gel to be sealed.

【0003】 この様な構成を有する従来のパワー半導
体装置は、通常以下のような方法により製造される。従
来のパワー半導体装置101を製造する場合、先ず、第
1、第2のろうペースト106a、106bとなるろう
ペーストを、セラミック板104の両面に所定の厚さで
印刷する。そして、第1、第2の金属電極105a、1
05bとなる2枚の金属電極を、セラミック板104の
両面に印刷されたろうペースト上に載せ、所定の温度、
例えば、約850℃で熱処理することにより、セラミッ
ク板104の両面に第1、第2の金属電極を接着する。
A conventional power semiconductor device having such a configuration is usually manufactured by the following method. When the conventional power semiconductor device 101 is manufactured, first, a brazing paste to be the first and second brazing pastes 106a and 106b is printed on both surfaces of the ceramic plate 104 with a predetermined thickness. Then, the first and second metal electrodes 105a, 105a,
05b are placed on the solder paste printed on both sides of the ceramic plate 104 at a predetermined temperature,
For example, the first and second metal electrodes are bonded to both surfaces of the ceramic plate 104 by performing a heat treatment at about 850 ° C.

【0004】 その後、両面に金属電極が接着されたセ
ラミック板104を、第2の半田107bとなる高温半
田(融点:約260℃)により、前記放熱板もしくはヒ
ートシンク103に接着し、半導体チップ102を、第
1の半田107aとなる低温半田(融点:約150℃)
により、両面に金属電極が接着されたセラミック板10
4に接着する。そして、第1の金属ワイヤ108aとな
る金属ワイヤを、半導体チップ102にワイヤボンディ
ングにより接続し、第2の金属ワイヤ108bとなる金
属ワイヤを、第1の金属電極105aとなる金属電極に
ワイヤボンディングにより接続する。
After that, the ceramic plate 104 with the metal electrodes bonded to both surfaces is bonded to the heat sink or the heat sink 103 by high-temperature solder (melting point: about 260 ° C.) to be the second solder 107 b, and the semiconductor chip 102 is bonded. , Low-temperature solder to be the first solder 107a (melting point: about 150 ° C.)
The ceramic plate 10 with metal electrodes bonded to both sides
Adhere to 4. Then, the metal wire serving as the first metal wire 108a is connected to the semiconductor chip 102 by wire bonding, and the metal wire serving as the second metal wire 108b is connected to the metal electrode serving as the first metal electrode 105a by wire bonding. Connecting.

【0005】 通常は、半導体チップ102、セラミッ
ク板104、第1の金属電極105a及び第2の金属電
極105b等が搭載された前記放熱板もしくはヒートシ
ンク103をパッケージ内に収納する。そして、シリコ
ンゲル109をパッケージ内に真空注入し、加熱硬化す
ることにより、半導体チップ102、セラミック板10
4、第1の金属電極105aおよび第2の金属電極10
5b等をシリコンゲル109で覆い、封止する。このよ
うにして、従来のパワー半導体装置101を製造する。
Usually, the heat sink or heat sink 103 on which the semiconductor chip 102, the ceramic plate 104, the first metal electrode 105a, the second metal electrode 105b, etc. are mounted is housed in a package. Then, a silicon gel 109 is vacuum-injected into the package and heat-cured, whereby the semiconductor chip 102 and the ceramic plate 10 are cured.
4. First metal electrode 105a and second metal electrode 10
5b and the like are covered with silicon gel 109 and sealed. Thus, the conventional power semiconductor device 101 is manufactured.

【0006】 しかし、絶縁基板(104)と金属電極
(105a、b)をろう材(106a、b)を介して接
合するため、低熱膨張の絶縁基板と高熱膨張のろう材,
金属電極との熱膨張差に起因してクラックが発生する。
また、絶縁基板(104)と放熱板(103)が半田を
介して接続されているため、熱抵抗が高いという問題が
ある。また、半導体分野における加速的なLSIの集積
化や高速化に加え、近年GTOやIGBT等のパワーデ
バイスの用途拡大とともに、シリコンチップの発熱量
が、一層増加している。そのために、シリコンチップか
ら発生する熱を放熱するための回路基板、さらにヒート
シンクについても、熱膨張率がセラミック回路基板の熱
膨張率に近く、しかも、熱伝導率をより向上させたヒー
トシンク用材料というように、より一層の高性能化が求
められているのが現状である。
However, since the insulating substrate (104) and the metal electrode (105a, b) are joined via the brazing material (106a, b), the insulating substrate having low thermal expansion and the brazing material having high thermal expansion,
Cracks occur due to the difference in thermal expansion with the metal electrode.
Further, since the insulating substrate (104) and the heat sink (103) are connected via solder, there is a problem that the thermal resistance is high. Further, in addition to accelerated integration and speeding up of LSIs in the field of semiconductors, and in recent years, applications of power devices such as GTOs and IGBTs have been expanded, the heat generation of silicon chips has further increased. Therefore, the circuit board for radiating the heat generated from the silicon chip and the heat sink are also referred to as a heat sink material having a coefficient of thermal expansion close to that of the ceramic circuit board and further improved thermal conductivity. As described above, it is the present situation that higher performance is required.

【0007】 上記のような大電力モジュール基板を使
用したインバータの用途は、ロボット・モータ等から各
種工作機械や鉄道、エレベーター、そして近年では電気
自動車にまで広がっている。中でも、電気自動車といっ
た車両用途等の高信頼性が重要とされる分野において
は、特開昭64−83634号公報や、特開平9−20
9058号公報で提案されているように、熱膨張率がセ
ラミックス回路基板に近いヒートシンクとして、熱伝導
性のよい炭化珪素(SiC)、窒化アルミニウム、窒化
珪素等のセラミックを利用した金属基複合材料がヒート
シンク材料として提案されている。
[0007] The applications of the inverter using the above-described high power module substrate have been spread from robots and motors to various machine tools, railways, elevators, and recently to electric vehicles. In particular, in fields where high reliability is important, such as electric vehicles, for vehicles, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 64-83634 and 9-20
As proposed in Japanese Patent No. 9058, as a heat sink having a coefficient of thermal expansion close to that of a ceramic circuit board, a metal-based composite material using ceramic such as silicon carbide (SiC), aluminum nitride, or silicon nitride having good thermal conductivity is used. It has been proposed as a heat sink material.

【0008】 前記複合体は、一般に、セラミックス粒
子、セラミックス繊維、短繊維、ウィスカー等の成形体
(プリフォーム)を作製し、次に溶融金属を含浸し、こ
れを冷却することにより作製される。溶融金属を含浸す
る方法としては、粉末冶金法に基づく方法、例えばダイ
キャスト法(特開平5−508350号公報)や溶湯鍛
造法(スクイズキャスト法)(まてりあ、第36巻、第
1号、1997、40−46ページ)などの高圧鋳造に
よる方法、自発浸透による方法(特開平2−19736
8号公報)等の各種の方法が知られている。
In general, the composite is produced by preparing a molded product (preform) such as ceramic particles, ceramic fibers, short fibers, and whiskers, then impregnating with a molten metal, and cooling this. As a method of impregnating the molten metal, a method based on a powder metallurgy method, for example, a die casting method (Japanese Patent Laid-Open No. 5-508350) or a molten metal forging method (squeeze casting method) (Materia, Vol. 36, No. 1) , 1997, pp. 40-46) and a method by spontaneous infiltration (JP-A-2-19736).
No. 8) are known.

【0009】 一方、パワー半導体装置としては、例え
ば、IGBT等からなる半導体チップ、半導体チップか
ら発生する熱を放熱するための銅等からなる厚さ4mm
程度の放熱板もしくはヒートシンク、半導体チップを前
記放熱板もしくはヒートシンクから絶縁するための窒化
アルミニウム等からなる厚さ0.6mm程度のセラミッ
ク板からなるものが知られている。そして、セラミック
板上面には銅等からなる厚さ0.4mm程度の第1の金
属電極が所定の厚さの第1のろう材を介して接着されて
いる。前記金属電極の上面には厚さ0.2mm程度の半
田を介して、半導体チップが接着されている。セラミッ
ク板の下面には銅等からなる厚さ0.2mm程度の第2
の金属電極が所定の厚さの第2のろう材を介して接着さ
れている。前記セラミック板の下面および第2の金属電
極は、半田ないしはろう材を介して放熱板と接合されて
いる。
On the other hand, as a power semiconductor device, for example, a semiconductor chip made of IGBT or the like, and a thickness of 4 mm made of copper or the like for radiating heat generated from the semiconductor chip
A heat sink or heat sink having a thickness of about 0.6 mm made of aluminum nitride or the like for insulating a semiconductor chip from the heat sink or heat sink is known. A first metal electrode made of copper or the like and having a thickness of about 0.4 mm is bonded to the upper surface of the ceramic plate via a first brazing material having a predetermined thickness. A semiconductor chip is bonded to the upper surface of the metal electrode via a solder having a thickness of about 0.2 mm. On the lower surface of the ceramic plate, a second layer made of copper or the like and having a thickness of about 0.2 mm
Are bonded via a second brazing material having a predetermined thickness. The lower surface of the ceramic plate and the second metal electrode are joined to a heat sink via solder or brazing material.

【0010】 しかし、絶縁性のセラミック基板と金属
電極をろう材を介して接合するため、低熱膨張の絶縁基
板と、高熱膨張のろう材と、金属電極との3者間の熱膨
張差に起因して、熱サイクルもしくは熱衝撃等を受けた
場合においてはパワーモジュール基板に反りを生じさせ
たり、銅回路の剥離およびセラミック基板にクラックが
発生するという問題がある。また、絶縁性のセラミック
基板と放熱板とが半田を介して接続されているため、放
熱性が低いという問題がある。
[0010] However, since the insulating ceramic substrate and the metal electrode are joined via the brazing material, a difference in thermal expansion between the insulating substrate having a low thermal expansion, the brazing material having a high thermal expansion, and the metal electrode is caused. Then, when subjected to a thermal cycle or thermal shock, there is a problem that the power module substrate is warped, the copper circuit is peeled off, and the ceramic substrate is cracked. Further, since the insulating ceramic substrate and the heat sink are connected via solder, there is a problem that heat dissipation is low.

【0011】 また、ろう付け以外での応力緩衝層等を
設けた多層型でのハンダ付け接合体では、冷却−加熱と
いう熱サイクルに曝された場合の耐久特性が低くなるの
に加え、放熱性の妨げとなる接合界面が増加することに
よって熱抵抗が大きくなる。また、多層構造を採用して
応力緩和を図っているので、製造工程数が必然的に増え
るため、結果として製品コストの増大を招くという欠点
がある。
[0011] In addition, a multilayer soldered joint provided with a stress buffer layer other than brazing has low durability characteristics when exposed to a heat cycle of cooling and heating, and also has heat dissipation properties. The thermal resistance increases due to an increase in the number of bonding interfaces that hinder the heat transfer. In addition, since the stress is relaxed by adopting the multi-layer structure, the number of manufacturing steps is inevitably increased, which results in an increase in product cost.

【0012】 また、特開平10―27059号公報
や、特開平11―121691号公報に記載のように、
絶縁基板に金属基複合材を接合してヒートシンクを作製
する場合には、ヒートシンク材となる金属基複合材を絶
縁基板へ接合する工程が必要なため、絶縁基板/金属基
複合材間には接合層を介在させる必要がある。従って、
応力緩衝を考えたような接合構造を取る場合、接合層自
体が熱膨張係数の高い延性金属層となるため、熱サイク
ル下での耐久性が低く、また接合を行う際での絶縁基板
およびヒートシンク材表面の表面処理が必要となること
から製造工程数が増え、結果として製造コストの増大を
招くという問題がある。
As described in JP-A-10-27059 and JP-A-11-121691,
When manufacturing a heat sink by bonding a metal matrix composite to an insulating substrate, a step of bonding the metal matrix composite to be a heat sink to the insulating substrate is required. It is necessary to interpose a layer. Therefore,
In the case of a bonding structure that takes into account stress buffering, the bonding layer itself is a ductile metal layer with a high coefficient of thermal expansion, so its durability under thermal cycling is low, and the insulating substrate and heat sink when bonding are performed. Since the surface treatment of the material is required, the number of manufacturing steps is increased, and as a result, the manufacturing cost is increased.

【0013】 そのために、熱サイクル下での耐久性を
改善するために、セラミック回路基板と同程度に小さな
熱膨張率を有し、しかも高熱伝導率な金属−セラミック
ス複合体として、多孔質セラミックス構造体にMgを含
有するAl系金属を含浸してなる複合体であって、該複
合体中のセラミックス粒子と金属粒子との境界に存在す
る中間相について、透過型電子顕微鏡像から求めた中間
相の結晶化領域が20面積%以上であることを特徴とす
る複合体が特開平11−139889号公報で提案され
ているが、この場合にはダイキャスト法のような高圧鋳
造法が望ましいためヒートシンク機能を付与する金属基
複合材を、溶融金属に高圧をかけて複合化させるため
に、設備およびコストの点で不利な点が大きい。
[0013] Therefore, in order to improve the durability under thermal cycling, a porous ceramic structure as a metal-ceramic composite having a coefficient of thermal expansion as small as a ceramic circuit board and having a high thermal conductivity is used. A composite obtained by impregnating a body with an Al-based metal containing Mg, wherein an intermediate phase at a boundary between ceramic particles and metal particles in the composite is determined from a transmission electron microscope image. JP-A-11-139889 proposes a composite characterized by having a crystallization region of 20% by area or more in this case. In this case, a high-pressure casting method such as a die-casting method is desirable. Since the metal-based composite material imparting the function is composited by applying a high pressure to the molten metal, there are great disadvantages in terms of equipment and cost.

【0014】 一方、特開平1−273659号公報で
提案されているように、金属基複合材を、セラミックス
分散材と溶融金属との反応を利用した化学的な方法によ
って金属とセラミックスとの濡れ性を改善させているた
め、セラミックス/金属界面での反応が生じながら溶湯
が浸透していくことから、浸透速度が遅いといった問題
が存在する。また、特開平11−269577号公報の
場合では、絶縁基板と放熱板としての金属基複合材を、
金属膜を介して接続するか、あるいは、絶縁基板と金属
膜との接合界面に前記絶縁基板の焼結助剤を含む化合物
を介在させて接続するため、半田で接続する場合に比べ
て、熱伝導性は良好であるが、絶縁基板/金属基複合材
間には金属膜及び焼結助剤を含む化合物を介在させるた
めに、ヒートシンクとして機能させる場合での放熱性の
阻害となる界面熱抵抗を増大させてしまう。
On the other hand, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-273659, the wettability between metal and ceramic is determined by a chemical method utilizing a reaction between a ceramic dispersion material and a molten metal. Therefore, since the molten metal permeates while a reaction occurs at the ceramic / metal interface, there is a problem that the permeation speed is low. In the case of JP-A-11-269577, a metal matrix composite as an insulating substrate and a heat sink is used.
The connection is made via a metal film, or the bonding interface between the insulating substrate and the metal film is connected with a compound containing a sintering aid for the insulating substrate interposed therebetween. Good conductivity, but interfacial thermal resistance that impedes heat dissipation when functioning as a heat sink because a compound containing a metal film and a sintering aid is interposed between the insulating substrate and the metal matrix composite. Increase.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】 上述のごとく、絶縁
基板と放熱板としての金属基複合材との間の熱膨張率の
差異に起因するクラックの発生が実質的になく、放熱
性、熱サイクル特性に優れたヒートシンク機能を付与さ
せた金属基複合材と絶縁基板との接合体からなる積層放
熱部材、および、同積層放熱部材からなるパワー半導体
装置ならびに積層放熱部材、および、同積層放熱部材か
らなるパワー半導体装置の製造方法を提供することを目
的とするものである。
As described above, cracks due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the insulating substrate and the metal matrix composite as the heat radiating plate are substantially free of heat radiation and heat cycling. A laminated heat dissipating member composed of a joined body of a metal-based composite material and an insulating substrate provided with a heat sink function having excellent characteristics, and a power semiconductor device and a laminated heat dissipating member composed of the laminated heat dissipating member, and the laminated heat dissipating member It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a power semiconductor device.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】 本願発明者らは、上記
の目的を達成するために種々検討の結果、特定のセラミ
ックス分散材とろう材とを使用して、金属基複合材を形
成すると同時に、絶縁基板と金属基複合材を接合するこ
とにより、絶縁基板と金属基複合材からなる放熱板との
間の熱膨張率の差異に起因するクラックの発生が実質的
になく、放熱性に優れた複合放熱板が製造できることを
見いだして、本発明を完成させたものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted various studies to achieve the above object, and as a result, have formed a metal-based composite material using a specific ceramic dispersing material and a brazing material. By joining the insulating substrate and the metal matrix composite, there is virtually no cracking due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the insulating substrate and the heat sink composed of the metal matrix composite, and the heat dissipation is excellent. It has been found that a composite heat sink can be manufactured, and the present invention has been completed.

【0017】 すなわち、本発明によれば、第1に、セ
ラミック粒子を分散させた金属基複合材からなる放熱板
と、当該放熱板の一方の表面上に接合されている絶縁基
板と、当該絶縁基板の他方の表面上に設けられた電極と
からなる積層放熱部材が提供される。さらに、前記絶縁
基板は、所望によりろう材または金属との濡れ性を確保
するために、あらかじめその接合面が表面処理されてい
てもよい絶縁基板であり、上記金属基複合材からなる放
熱板は、あらかじめろう材または金属との濡れ性を確保
するために表面処理されたセラミック分散粒子の間隙に
溶融浸透されたろう材または金属とを反応させて製造さ
れた金属基複合材であることを特徴とする積層放熱部材
が提供される。
That is, according to the present invention, first, a heat sink made of a metal matrix composite material in which ceramic particles are dispersed, an insulating substrate joined to one surface of the heat sink, A laminated heat dissipating member comprising an electrode provided on the other surface of the substrate is provided. Further, the insulating substrate is an insulating substrate whose joint surface may be subjected to a surface treatment in advance in order to ensure wettability with a brazing material or a metal if desired. A metal matrix composite manufactured by reacting a brazing material or metal that has been melt-infiltrated into gaps between ceramic dispersed particles that have been surface-treated to ensure wettability with the brazing material or metal in advance. Is provided.

【0018】 さらにまた、前記放熱板が、セラミック
分散粒子と、前記セラミック分散粒子の間隙に溶融浸透
されたろう材または金属とを反応させて製造された金属
基複合材であって、前記ろう材または金属が更にTi、
Zr、Nb、およびHfからなる群から選ばれた少なく
とも一種の活性金属を含有しているか、または、前記活
性金属粉末を前記セラミック分散粒子の間隙中にあらか
じめ分散させておいて製造され得る金属基複合材層であ
ることを特徴とする積層放熱部材が提供される。
Further, the heat radiating plate is a metal-based composite material produced by reacting ceramic dispersed particles with a brazing material or metal melt-infiltrated into gaps between the ceramic dispersed particles, wherein the brazing material or Metal is Ti,
A metal group containing at least one active metal selected from the group consisting of Zr, Nb, and Hf, or a metal group that can be produced by previously dispersing the active metal powder in the gaps of the ceramic dispersed particles; A laminated heat dissipation member characterized by being a composite material layer is provided.

【0019】 また、前記絶縁基板が窒化アルミニウ
ム、または窒化珪素であることを特徴とする積層放熱部
材、前記絶縁基板と、前記絶縁基板の表面上面に設けら
れた電極とが、セラミック粒子を分散させた金属基複合
材層を介して接合されていることを特徴とする、記載の
積層放熱部材が提供される。
The insulating substrate is made of aluminum nitride or silicon nitride, wherein the laminated heat radiating member, the insulating substrate, and an electrode provided on an upper surface of the insulating substrate disperse ceramic particles. The laminated heat dissipating member according to the above is provided, wherein the laminated heat dissipating member is joined via a metal-based composite material layer.

【0020】 本発明によれば、第2に、回路電極と、
放熱板と絶縁基板とからなる積層放熱部材と、同積層放
熱部材に形成されている前記回路電極に接合された半導
体チップと、前記半導体チップに電気的に接続された金
属ワイヤーとからなり、前記回路電極に電気的に接続さ
れた金属ワイヤーと、前記半導体チップ、前記積層放熱
部材、および前記回路電極とは絶縁封止材により封止さ
れているパワー半導体装置であって、前記積層放熱部材
は、上記の積層放熱部材のいずれかであることを特徴と
するパワー半導体装置が提供される。
According to the present invention, secondly, a circuit electrode,
A laminated heat radiating member comprising a heat radiating plate and an insulating substrate, a semiconductor chip joined to the circuit electrode formed on the laminated heat radiating member, and a metal wire electrically connected to the semiconductor chip; A metal wire electrically connected to a circuit electrode, the semiconductor chip, the laminated heat dissipating member, and the circuit electrode are a power semiconductor device sealed with an insulating sealing material, wherein the laminated heat dissipating member is A power semiconductor device, which is any one of the above-described laminated heat dissipation members, is provided.

【0021】 本発明によれば、第3に、放熱板と、前
記放熱板の一方の表面上に接合されている絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面上に設けられた電極とからなる積層
放熱部材の製造法であって、所望によりろう材または金
属との濡れ性を確保するためにあらかじめ絶縁基板の接
合面を表面処理する工程と、あらかじめろう材または金
属との濡れ性を確保するために表面処理されたセラミッ
ク粒子を絶縁基板上に載置させる工程と、当該セラミッ
ク粒子の上にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を
加熱溶融し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう
材と反応することにより形成された金属基複合材を製造
すると共に当該金属基複合材と絶縁基板とを接合する工
程、とを含むことを特徴とする積層放熱部材の製造方法
が提供される。
According to the present invention, thirdly, a radiator plate, an insulating substrate joined to one surface of the radiator plate,
A method for manufacturing a laminated heat radiation member comprising electrodes provided on a surface of the insulating substrate, wherein a surface treatment is performed on a bonding surface of the insulating substrate in advance in order to ensure wettability with a brazing material or a metal, if desired. A step of placing ceramic particles which have been surface-treated in advance to ensure wettability with a brazing material or metal on an insulating substrate; a step of disposing a brazing material on the ceramic particles; Heating and melting, infiltrating into the ceramic particle gap, producing a metal matrix composite formed by reacting with the brazing material and joining the metal matrix composite and the insulating substrate. A method for manufacturing a laminated heat dissipation member is provided.

【0022】 さらに、セラミックス粒子および/また
は絶縁基板への濡れ性確保のための表面処理が、セラミ
ックス粒子および/または絶縁基板の少なくとも一部表
面への金属による被覆処理であり、当該処理が無電解メ
ッキ法、メッキ法、スパッタリング、またはイオンプレ
ーティングであることを特徴とする積層放熱部材の製造
方法が提供される。
Further, the surface treatment for ensuring wettability to the ceramic particles and / or the insulating substrate is a coating treatment with a metal on at least a part of the surface of the ceramic particles and / or the insulating substrate, and the treatment is electroless. A method for producing a laminated heat radiation member is provided, which is a plating method, a plating method, a sputtering method, or an ion plating method.

【0023】 さらにまた、放熱板と、放熱板の一方の
表面上に接合されている絶縁基板と、上記絶縁基板の表
面上に設けられた電極とからなる積層放熱部材の製造法
であって、セラミック粒子を絶縁基板の上に載置させる
工程と、当該セラミック粒子の上にTi、Zr、Nbお
よびHfからなる群から選ばれた少なくとも一種の活性
金属を含有したろう材を配置させる工程と、当該ろう材
を加熱溶融し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろ
う材との反応により形成された金属基複合材からなる放
熱板を製造すると共に当該放熱板と絶縁基板とを接合す
る工程、とを含むことを特徴とする積層放熱部材の製造
方法が提供される。
Still further, the present invention provides a method for manufacturing a laminated heat dissipating member comprising a heat sink, an insulating substrate joined on one surface of the heat sink, and an electrode provided on the surface of the insulating substrate. Placing ceramic particles on an insulating substrate, and disposing a brazing material containing at least one active metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb and Hf on the ceramic particles; Heating and melting the brazing material, infiltrating the gap between the ceramic particles, manufacturing a heat sink made of a metal-based composite material formed by the reaction with the brazing material and joining the heat sink and the insulating substrate; and The manufacturing method of the laminated heat dissipation member characterized by including this is provided.

【0024】 加えて、放熱板と、放熱板の一方の表面
上に接合されている絶縁基板と、上記絶縁基板の表面上
に設けられた電極とからなる積層放熱部材の製造法であ
って、Ti、Zr、NbおよびHfからなる群から選ば
れた少なくとも一種の活性金属粉末とセラミック粒子を
絶縁基板の上に載置させる工程と、当該セラミック粒子
の上にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を加熱溶
融し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう材と反
応した金属基複合材を製造すると共に当該金属基複合材
と絶縁基板とを接合する工程、とを含むことを特徴とす
る積層放熱部材の製造方法、および、金属基複合材から
なる放熱板と絶縁基板とを接合する熱処理時に、同時に
絶縁基板と電極とをろう材または金属基複合材層を介し
て接合する工程を更に含むことを特徴とする積層放熱部
材の製造方法が提供される。
In addition, the present invention provides a method for manufacturing a laminated heat dissipating member comprising a heat sink, an insulating substrate joined to one surface of the heat sink, and electrodes provided on the surface of the insulating substrate. Placing at least one active metal powder selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb and Hf and ceramic particles on an insulating substrate; disposing a brazing material on the ceramic particles; Heating and melting the brazing material, infiltrating the ceramic particle gap, producing a metal matrix composite reacted with the brazing material, and joining the metal matrix composite and the insulating substrate. The manufacturing method of the laminated heat dissipating member and the step of simultaneously joining the insulating substrate and the electrode via the brazing material or the metal matrix composite material layer during the heat treatment for joining the heat sink composed of the metal matrix composite and the insulating substrate are further modified. And a method for manufacturing a laminated heat radiation member.

【0025】 さらに、金属基複合材からなる放熱板と
接合された絶縁基板に対し、絶縁基板と電極とを、ろう
材または金属基複合材層を介して、前記放熱板と絶縁基
板との接合工程より低い温度の熱処理により接合する工
程を更に含むことを特徴とする積層放熱部材の製造方
法、および、金属基複合材からなる放熱板と接合された
絶縁基板に対し、絶縁基板上に、前記放熱板と絶縁基板
との接合工程より低い温度で電極をさらに形成する工程
を更に含むこと特徴とする積層放熱部材の製造方法が提
供される。
Further, the insulating substrate and the electrode are connected to the insulating substrate bonded to the heat radiating plate made of the metal-based composite material through the brazing material or the metal-based composite material layer. The method for manufacturing a laminated heat radiating member, further comprising a step of bonding by heat treatment at a lower temperature than the step, and an insulating substrate bonded to a heat radiating plate made of a metal-based composite material, on the insulating substrate, A method of manufacturing a laminated heat radiation member is provided, further comprising a step of further forming an electrode at a lower temperature than a bonding step of the heat radiation plate and the insulating substrate.

【0026】 本発明によれば、第4に、接合工程より
低い温度で電極をさらに形成する工程が、メッキ法、ス
パッタリング法、イオンプレーティング法、溶射法のい
ずれか一つの方法またはそれらの組み合わせであること
を特徴とする積層放熱部材の製造方法、および、積層放
熱部材の電極に半導体チップを接合する工程と、半導体
チップおよび電極にそれぞれ金属ワイヤーを電気的に接
続する工程と、前記半導体チップ、前記積層放熱部材、
前記回路電極をパッケージに収納後にパッケージ内に絶
縁封止材を注入する工程、とを含むことを特徴とするパ
ワー半導体装置の製造方法が提供される。さらに、前記
積層放熱部材が上記の積層放熱部材のいずれかであるこ
とを特徴とするパワー半導体装置の製造方法が提供され
る。
According to the present invention, fourthly, the step of further forming an electrode at a lower temperature than the bonding step is performed by any one of a plating method, a sputtering method, an ion plating method, and a thermal spraying method, or a combination thereof. A method of manufacturing a laminated heat dissipating member, a step of bonding a semiconductor chip to an electrode of the laminated heat dissipating member, a step of electrically connecting a metal wire to each of the semiconductor chip and the electrode, and , The laminated heat dissipation member,
Injecting an insulating sealing material into the package after the circuit electrode is housed in the package, and a method for manufacturing a power semiconductor device. Further, there is provided a method for manufacturing a power semiconductor device, wherein the laminated heat radiating member is any of the above laminated heat radiating members.

【0027】 上記の本願方法に従えば、絶縁基板とヒ
ートシンク材、換言すれば、放熱板としての機能を有す
る金属基複合材の形成・接合に際して、所望により特定
の表面処理が施されていてもよい絶縁基板と特定の表面
処理が施されたセラミック粒子であって特定の熱応力を
低下させることが可能な分散材としてのセラミック粒子
とろう材とを併用することにより、当該セラミック粒子
とろう材を一定の厚さを持った放熱性を有する金属基複
合材に変え、これを放熱板として形成させるとともに、
絶縁基板と放熱板との接合を同時に行うことができる。
かくして、しばしば、熱伝導の妨げとなる接合層を形成
せずに、所望とする放熱性、熱サイクル特性に優れたパ
ワー半導体装置用としての放熱積層部材、および、同放
熱積層部材を使用したパワー半導体装置を得ることがで
きる。
According to the method of the present invention, when forming and joining the insulating substrate and the heat sink material, in other words, the metal-based composite material having a function as a heat sink, even if a specific surface treatment is performed as desired. The ceramic particles and the brazing material are used in combination with the ceramic particles and the brazing material, which are a good insulating substrate and ceramic particles subjected to a specific surface treatment and capable of lowering a specific thermal stress as a dispersing material. Into a metal-based composite material with a certain thickness and heat dissipation, and forming this as a heat sink,
Bonding of the insulating substrate and the heat sink can be performed simultaneously.
Thus, a heat-dissipating laminated member for a power semiconductor device, which is often excellent in desired heat-dissipating properties and heat cycle characteristics without forming a bonding layer that hinders heat conduction, and a power using the same. A semiconductor device can be obtained.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】 以下本発明について、より具体
的に説明することとする。なお、本願明細書において、
放熱積層部材とは、セラミック粒子を分散させた金属基
複合材からなる放熱板と、当該放熱板の一方の表面上に
接合されている絶縁基板と、当該絶縁基板の表面上に設
けられた電極とからなる積層体をいう。また、複合接合
部材とは、放熱積層部材とほぼ同義であるが、主とし
て、前者は、放熱板またはヒートシンク材としての完成
品を指し、後者は、回路電極にメッキ処理がなされてい
ない半製品を指す。さらにまた、金属基複合鋳造品と
は、金属基複合材が鋳造により製造された放熱積層部材
を指称する場合に主として使用する。金属基複合材と
は、特定の表面処理が施されたセラミック粒子であって
特定の熱応力を低下させることが可能な分散材とろう材
とを溶融混合することにより製造される複合部材のこと
を指称する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described more specifically. In the present specification,
The heat dissipating laminated member is a heat dissipating plate made of a metal matrix composite material in which ceramic particles are dispersed, an insulating substrate joined to one surface of the heat dissipating plate, and an electrode provided on the surface of the insulating substrate. And a laminate comprising: In addition, the composite joint member is almost the same as the heat radiation laminate member, but mainly the former refers to a finished product as a heat sink or a heat sink material, and the latter refers to a semi-finished product in which circuit electrodes are not plated. Point. Furthermore, the metal-based composite casting is mainly used when the metal-based composite refers to a heat-dissipating laminated member manufactured by casting. A metal-based composite is a composite member produced by melt-mixing a brazing filler metal and a dispersant capable of reducing a specific thermal stress, which are ceramic particles subjected to a specific surface treatment. Is referred to.

【0029】 本発明においては、絶縁基板としては、
厚さ0.1〜2mm、望ましくは、0.1〜2mmの窒
化アルミ、窒化珪素等のセラミック製の基板が使用され
る。特に、熱伝導性の点、接合強度確保の点からは、特
開平4―212441号公報に開示の窒化珪素および平
成11年6月23日の出願に係る特願平11―1764
79号出願に係る窒化珪素が熱伝導性および機械的特性
の点から好適に使用される。絶縁基板としては、あらか
じめろう材との濡れ性を確保するために表面処理を施し
たものが好適に使用される。熱応力を低下させるセラミ
ック粒子として、粒子径5〜200μm、より望ましく
は10〜50μmの粒径のSiC、AlN、Si34
Al23等のセラミック粒子が使用される。通常は、ろ
う材との濡れ性を確保するために表面処理を施したもの
を使用する。
In the present invention, as the insulating substrate,
A ceramic substrate having a thickness of 0.1 to 2 mm, desirably 0.1 to 2 mm, such as aluminum nitride or silicon nitride, is used. In particular, from the viewpoint of thermal conductivity and securing of bonding strength, silicon nitride disclosed in JP-A-4-212441 and Japanese Patent Application No. 11-1764 filed on June 23, 1999 are disclosed.
Silicon nitride according to the '79 application is preferably used in terms of thermal conductivity and mechanical properties. As the insulating substrate, a substrate that has been subjected to a surface treatment in advance to ensure wettability with a brazing material is preferably used. As ceramic particles for reducing thermal stress, SiC, AlN, Si 3 N 4 , having a particle size of 5 to 200 μm, more preferably 10 to 50 μm,
Ceramic particles such as Al 2 O 3 are used. Usually, a material subjected to a surface treatment to ensure wettability with a brazing material is used.

【0030】 放熱板としての金属基複合材の形成と絶
縁基板との接合に際しては、当該セラミック粒子の粒子
上に、Al、Al合金、銅、銅合金から選ばれた少なく
とも一種の金属または金属合金からなるろう材を載置し
て、使用する。このろう材を絶縁基板上に均一に敷詰め
られたセラミック粒子上に載置し、これを加熱、溶融さ
せて該セラミック粒子の間隙に浸透させて、凝固させる
ことにより、目的とする接合体、すなわち、放熱板とし
ての金属基複合鋳造品を得ることができる。この際の接
合・形成は、真空もしくは不活性雰囲気の炉中で、上記
金属または合金の融点よりも高い温度まで昇温すること
により行うが好ましい。セラミック粒子とセラミック粒
子との間隙への上記金属または合金の流入による接合な
らびに複合材の形成は、上述の反応を利用する類似の従
来技術と比較して、短時間で完了できるので、該温度で
の保持時間は10分以下でよい。
At the time of forming the metal matrix composite material as the heat sink and joining the composite material to the insulating substrate, at least one metal or metal alloy selected from Al, Al alloy, copper, and copper alloy is formed on the ceramic particles. Place and use brazing material consisting of This brazing material is placed on ceramic particles uniformly spread on an insulating substrate, and heated and melted to penetrate into the gaps between the ceramic particles and solidify, thereby solidifying a target joint body. That is, a metal-based composite casting as a heat sink can be obtained. In this case, the joining / forming is preferably performed by raising the temperature to a temperature higher than the melting point of the metal or alloy in a furnace in a vacuum or an inert atmosphere. Joining by the inflow of the metal or alloy into the gap between the ceramic particles and the formation of the composite material can be completed in a shorter time as compared with a similar prior art utilizing the above-described reaction, so that the temperature and May be 10 minutes or less.

【0031】 この際、絶縁基板、あるいはセラミック
粒子の表面処理としては、無電解メッキ、スパッタリン
グ、またはイオンプレーティング等によりNi、Cu、
Pd等の層をセラミック粒子の表面に形成すればよい。
ただし、主としてAl合金をろう材として使用する場合
には、無電解Niメッキが好適に利用できる。この際、
メッキ層の厚みは、1μm以下、より望ましくは0.5
μm程度とするとよい。0.5μm以下であるとろう材
の浸透が好適に起こらず、1μm以上とすると多量の金
属間化合物(Al3Ni)生成により熱伝導率の劣化が
見られるからである。
At this time, as a surface treatment of the insulating substrate or the ceramic particles, Ni, Cu,
What is necessary is just to form a layer of Pd or the like on the surface of the ceramic particles.
However, when an Al alloy is mainly used as a brazing material, electroless Ni plating can be suitably used. On this occasion,
The thickness of the plating layer is 1 μm or less, more preferably 0.5 μm.
It is good to be about μm. When the thickness is 0.5 μm or less, the penetration of the brazing material does not occur suitably, and when the thickness is 1 μm or more, a large amount of intermetallic compound (Al 3 Ni) is generated, and the thermal conductivity is deteriorated.

【0032】 前記の濡れ性確保には金属溶湯中にT
i、Nb、Hf、Zr等の活性金属を添加し、絶縁基
板、セラミック粒子の表面に、これら活性金属の窒化
物、酸化物、または炭化物を形成させる方法を利用する
こともできる。この活性金属の添加量は、ろう材に対し
て0.5〜20重量%が適当である。ろう材中にあらか
じめ添加しておくことも可能であるが、セラミック粒子
中に該活性金属の微粒子を添加しておくほうが活性金属
の添加量を低く押さえることができるので、得られる複
合材の熱伝導率を高く維持できるので好ましい。この際
に、セラミック粒子の表面に前記のメッキ処理等を施し
ておく手法と併用することもできる。
In order to ensure the above wettability, T
A method in which an active metal such as i, Nb, Hf, or Zr is added to form a nitride, an oxide, or a carbide of the active metal on the surface of an insulating substrate or ceramic particles can also be used. The amount of the active metal to be added is suitably 0.5 to 20% by weight based on the brazing material. Although it is possible to add the active metal to the brazing material in advance, adding the fine particles of the active metal to the ceramic particles can reduce the amount of the active metal added. This is preferable because the conductivity can be kept high. At this time, it is also possible to use in combination with the above-mentioned method of plating the surface of the ceramic particles.

【0033】 セラミックス分散材および溶融ろう材と
を反応、複合化させる際に、無電解メッキ、スパッタリ
ング、またはイオンプレーティング等により表面処理さ
れたものを使用する場合には、表面処理層と溶融金属と
が接触、反応する際に発生する局部的な発熱反応(燃焼
合成反応)を生じる。例えば、表面処理層が無電解Ni
−Bメッキで、溶融金属がAl系合金の場合、 Al+Ni→Al3Ni といった反応式よりNiアルミナイドを生成し、生成熱
が発熱反応となる。従って、圧力をほとんど必要とせ
ず、また上述のような局部的な発熱反応によりセラミッ
ク粒子/溶融金属との間での濡れ性が大きく改善される
ために、溶融金属の浸透速度が早められ、非常に短時間
で当該金属基複合材を形成することが可能となる。
When reacting and compounding the ceramic dispersion material and the molten brazing material, when using a material that has been surface-treated by electroless plating, sputtering, ion plating, or the like, the surface-treated layer and the molten metal are used. Causes a local exothermic reaction (combustion synthesis reaction) that occurs when they contact and react with each other. For example, if the surface treatment layer is made of electroless Ni
In the -B plating, when the molten metal is an Al-based alloy, Ni aluminide is generated from a reaction formula of Al + Ni → Al 3 Ni, and the generated heat is an exothermic reaction. Therefore, almost no pressure is required, and the local exothermic reaction as described above greatly improves the wettability between the ceramic particles and the molten metal, so that the penetration rate of the molten metal is increased. The metal matrix composite can be formed in a short time.

【0034】 また、セラミックス分散材とろう材を構
成する金属の溶融物とを複合化させ、金属基部材を製造
するに際し、活性金属を利用する場合には、活性金属
(Ti、Zr、Nb、Hf等)が酸素、窒素および炭素
に対して非常に活性なことから、セラミックス分散材と
溶融金属との濡れ性が、溶融金属中に活性金属が固溶さ
れることによって向上され、微視的にはセラミックス分
散材表面での活性金属含有溶湯との界面反応が起こる。
すなわち、セラミックス分散材がSiC、溶融金属がC
u−Ti合金の場合、 SiC+Ti → TiC+Si(銅中) という反応により、TiC生成に伴なう発熱反応が生じ
る。かくして、この局部的発熱により、上記同様、溶融
金属の浸透速度を早め、非常に短時間で当該金属基複合
材を製造することが可能となる。
In the case where an active metal is used in producing a metal base member by compounding a ceramic dispersion material and a molten metal constituting a brazing material, the active metal (Ti, Zr, Nb, Hf) is very active against oxygen, nitrogen and carbon, so that the wettability between the ceramic dispersing material and the molten metal is improved by the solid solution of the active metal in the molten metal, and the microscopic effect is obtained. , An interface reaction with the active metal-containing molten metal occurs on the surface of the ceramic dispersion material.
That is, the ceramic dispersion material is SiC and the molten metal is C
In the case of a u-Ti alloy, a reaction of SiC + Ti → TiC + Si (in copper) causes an exothermic reaction accompanying the generation of TiC. Thus, due to the local heat generation, the penetration rate of the molten metal is increased as described above, and the metal matrix composite can be manufactured in a very short time.

【0035】 本発明に係る製造方法によれば、接合工
程数を低減させることができ、さらに、低熱膨張且つ放
熱性に優れた金属基複合材を非常に低コストで製造する
ことが可能となり、絶縁基板との一体製造ができる。す
なわち、本発明に係る金属基複合鋳造品は、従来の方法
と比較すると少ない工程で、かつ比較的短時間の内に製
造することができることとなる。
According to the manufacturing method of the present invention, the number of bonding steps can be reduced, and a metal-based composite material having low thermal expansion and excellent heat dissipation can be manufactured at a very low cost. It can be manufactured integrally with an insulating substrate. That is, the metal-based composite casting according to the present invention can be manufactured in a relatively small number of steps and in a relatively short time as compared with the conventional method.

【0036】 なお、本願方法においては、電極は、例
えば後述する実施例18の様に、絶縁基板と放熱板とな
る金属基複合材の製造および接合の際に同時に接合する
ことができ、あるいは、別途形成してもよい。別途形成
する場合には、前記放熱板となる金属基複合材の製造お
よび接合温度より低温で溶融するろう材を用いてロウ接
合できる。また、別途成形する方法として、接合ではな
く、印刷、溶射、メッキ等により新たに電極を作製する
こともできる。そのため上記のように、勿論、本発明に
おいては、絶縁基板の表面の内、放熱板が搭載されてい
ない側の表面に電子素子が配置されたパワー半導体装
置、およびその製造方法もその技術的範囲内に含むもの
であることはいうまでもない。
In the method of the present invention, the electrodes can be simultaneously bonded at the time of production and bonding of a metal matrix composite material to be an insulating substrate and a heat sink, as in Example 18 described later, or It may be formed separately. When separately formed, brazing can be performed using a brazing material that melts at a temperature lower than the manufacturing temperature and the bonding temperature of the metal-based composite material serving as the heat sink. In addition, as a method of separate molding, a new electrode can be produced by printing, thermal spraying, plating, or the like instead of joining. Therefore, as described above, of course, in the present invention, the power semiconductor device in which the electronic element is disposed on the surface on the side on which the heat sink is not mounted among the surfaces of the insulating substrate, and the manufacturing method thereof are also in the technical scope. It goes without saying that it is included within.

【0037】[0037]

【実施例】 以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明
する。勿論、本発明は、この実施例によりいかなる制限
を受けるものでないことはいうまでもない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be further described with reference to examples. Of course, it is needless to say that the present invention is not limited by this embodiment.

【0038】 以下の実施例においては、特性の測定は
以下に記載の方法により行った。
In the following examples, characteristics were measured by the methods described below.

【0039】(熱サイクル特性)大気中で、−40℃に
保持した低温槽に30分間保持した後、25℃に保持し
た恒温槽内に10分間放置し、さらに恒温槽の温度を1
25℃に昇温後30分間保持した後、恒温槽の温度を2
5℃に下げ、この温度で10分間放置する操作を1サイ
クルとして、各試料毎に5個用意し、その内の1個で
も、絶縁基板にクラックが発生するか、あるいは放熱板
の接合部での剥離が生じた時点でのサイクル数をもっ
て、各試料の熱サイクル特性を評価した。
(Thermal cycle characteristics) In the air, after being kept in a low-temperature bath kept at -40 ° C for 30 minutes, left in a constant-temperature bath kept at 25 ° C for 10 minutes,
After the temperature was raised to 25 ° C and held for 30 minutes, the temperature of the thermostat was raised to 2
The operation of lowering the temperature to 5 ° C. and leaving it at this temperature for 10 minutes is defined as one cycle, and five specimens are prepared for each sample, and even one of them may cause cracks on the insulating substrate or at the joint of the heat sink. The thermal cycle characteristics of each sample were evaluated based on the number of cycles at the time when peeling occurred.

【0040】(熱伝導率測定)絶縁基板とヒートシンク
材、すなわち、金属基複合材とからなる接合体の熱伝導
率をレーザーフラッシュ法(真空理工製:TC−700
0)により、測定した。
(Measurement of Thermal Conductivity) The thermal conductivity of a joined body composed of an insulating substrate and a heat sink material, that is, a metal-based composite material was measured by a laser flash method (manufactured by Vacuum Riko: TC-700).
0).

【0041】(熱抵抗特性)図1に示した水冷モジュー
ルを作製し、絶縁基板の回路形成部表面にヒーターをA
gペーストで接着した。水温24℃、流量2l/分で冷
却水を循環させて、ヒーター面と試料/流水界面の温度
を測定し、試料の熱抵抗を計算した。熱抵抗は比較例3
の場合を1とした相対評価を行った。
(Thermal Resistance Characteristics) The water-cooled module shown in FIG. 1 was prepared, and a heater was placed on the surface of the circuit forming portion of the insulating substrate.
g. Cooling water was circulated at a water temperature of 24 ° C. and at a flow rate of 2 l / min. The temperatures of the heater surface and the interface between the sample and the flowing water were measured, and the thermal resistance of the sample was calculated. Thermal resistance is Comparative Example 3
The relative evaluation was performed with the case of 1 as 1.

【0042】(実施例1、2、3、および4) (絶縁基板/メッキ表面処理法によるヒートシンク複合
材の作製)絶縁基板としては、市販の窒化アルミニウム
粉体にY23を焼結助剤として添加し、焼成することに
より、180W/mKの熱伝導率を有する、50×40
×0.635tmmのAlN(窒化アルミニウム)製絶
縁基板を作製した。また、市販の窒化珪素粉体にY
23、およびMgOを焼結助剤として添加し、所定の温
度で所定の時間焼成することにより、90W/mKの熱
伝導率を有する、50×40×0.3tmmのSi34
(窒化珪素)製絶縁基板を作製した。
(Examples 1, 2, 3, and 4) (Preparation of heat sink composite material by insulating substrate / plating surface treatment method) As an insulating substrate, commercially available aluminum nitride powder was sintered with Y 2 O 3 . 50 × 40 having a thermal conductivity of 180 W / mK by adding as an agent and firing.
An insulating substrate made of AlN (aluminum nitride) having a size of × 0.635 tmm was produced. In addition, Y is added to commercially available silicon nitride powder.
By adding 2 O 3 and MgO as sintering aids and firing at a predetermined temperature for a predetermined time, 50 × 40 × 0.3 tmm Si 3 N 4 having a thermal conductivity of 90 W / mK.
An insulating substrate made of (silicon nitride) was manufactured.

【0043】 これとは別に、市販のSiC粒子(平均
粒径約50μm)および粉砕により作製したAlN粒子
(平均粒径約50μm)に湿式無電解メッキにより、粒
子表面に約0.5μm厚みのNi−Bメッキを施したも
のをセラミックス分散材として用意した。一方、前記A
lNおよびSi34絶縁基板の片面に約1μm厚みで無
電解Ni−Bメッキを施した。前記絶縁基板のNi−B
メッキ面上に、前記Ni−Bメッキ処理したSiCおよ
びAlN粒子を載置し、圧力をかけて厚みを薄くし、粒
子の充填率を向上させ、その上面に市販のAlろう材シ
ート(BA4004:Al−10Si−1.5Mg)を
戴置した。次いで、15℃/min.の昇温速度で70
0℃まで昇温し、0.00133パスカルの真空下、7
00℃で3分間保持により溶融状態となったAlろう材
をセラミックス分散材間隙中に浸透後、2℃/min.
の降温速度にて室温まで冷却して接合体(金属基複合鋳
造品)を作製した。BA4004に変えてAC4A:A
l−9Si−0.45Mg、AC4C:Al−7Si−
0.35Mg、A5052:Al−0.25Mg、A5
005:Al−0.8Mg、もしくは純Al組成のA1
050:Al>99.5%を使用しても、同様の結果が
得られる。
Separately, commercially available SiC particles (average particle diameter of about 50 μm) and pulverized AlN particles (average particle diameter of about 50 μm) are subjected to wet electroless plating to form a Ni powder having a thickness of about 0.5 μm on the particle surface. -B plating was prepared as a ceramic dispersion material. On the other hand, A
One side of the 1N and Si 3 N 4 insulating substrates was electroless Ni-B plated to a thickness of about 1 μm. Ni-B of the insulating substrate
The NiC-plated SiC and AlN particles are placed on the plating surface, the thickness is reduced by applying pressure, the packing ratio of the particles is improved, and a commercially available Al brazing sheet (BA4004: Al-10Si-1.5Mg). Then, at 15 ° C./min. At a heating rate of 70
The temperature was raised to 0 ° C, and the pressure was reduced to 7 under a vacuum of 0.00133 Pascal.
After the Al brazing material melted by holding at 00 ° C. for 3 minutes penetrates into the gap between the ceramic dispersion materials, the Al brazing material is melted at 2 ° C./min.
The mixture was cooled to room temperature at a temperature lowering rate of to produce a joined body (metal-based composite casting). AC4A: A instead of BA4004
1-9Si-0.45Mg, AC4C: Al-7Si-
0.35Mg, A5052: Al-0.25Mg, A5
005: Al-0.8Mg or A1 of pure Al composition
050: Al> 99.5%, the same result is obtained.

【0044】(実施例5、6、7、8) (絶縁基板/粉末活性金属法によるヒートシンク複合材
の作製)絶縁基板としては、市販の窒化アルミニウム粉
体にY23を焼結助剤として添加し、焼成することによ
り、180W/mKの熱伝導率を有する、50×40×
0.635tmmのAlN(窒化アルミニウム)製絶縁
基板を作製した。また、市販の窒化珪素粉体にY23
MgOを焼結助剤として添加し、高温長時間焼成するこ
とにより、90W/mKの熱伝導率を有する、50×4
0×0.3tmmのSi34(窒化珪素)製絶縁基板を
作製した。
(Examples 5, 6, 7, 8) (Preparation of Heat Sink Composite by Insulating Substrate / Powder Active Metal Method) As an insulating substrate, commercially available aluminum nitride powder was mixed with Y 2 O 3 as a sintering aid. And having a thermal conductivity of 180 W / mK, 50 × 40 ×
An insulating substrate of 0.635 tmm made of AlN (aluminum nitride) was produced. In addition, Y 2 O 3 ,
By adding MgO as a sintering aid and firing at a high temperature for a long time, 50 × 4 having a thermal conductivity of 90 W / mK is obtained.
An insulating substrate of 0 × 0.3 tmm made of Si 3 N 4 (silicon nitride) was produced.

【0045】 一方、市販のSiC粒子(平均粒径約5
0μm)および粉砕により作製したAlN粒子(平均粒
径約50μm)とTi粉末(平均粒径約10〜44μ
m)とを混合した粉体を載置し、圧力をかけて厚みを薄
くし、粒子の充填率を向上させ、その上面に市販の純C
u(純Cu組成の無酸素銅もしくはタフピッチ銅:Cu
>99.9%)を戴置した。次いで、15℃/min.
の昇温速度で1120℃まで昇温し、0.00133パ
スカルの真空下、1120℃で3分間保持により溶融状
態となったCuをセラミックス分散材間隙中に浸透後、
2℃/min.の降温速度にて室温まで冷却して接合体
(金属基複合鋳造品)を作製した。
On the other hand, commercially available SiC particles (average particle size of about 5
0 μm) and pulverized AlN particles (average particle diameter of about 50 μm) and Ti powder (average particle diameter of about 10 to 44 μm)
m) is placed thereon, and the thickness is reduced by applying pressure to improve the packing ratio of the particles.
u (pure oxygen-free copper or tough pitch copper: Cu
> 99.9%). Then, at 15 ° C./min.
The temperature was raised to 1120 ° C. at a temperature rising rate, and after the Cu melted by holding at 1120 ° C. for 3 minutes under a vacuum of 0.00133 Pascal penetrated into the gap between the ceramic dispersion materials,
2 ° C / min. The mixture was cooled to room temperature at a temperature lowering rate of to produce a joined body (metal-based composite casting).

【0046】(実施例9、10) (絶縁基板/固溶活性金属法によるヒートシンク複合材
の作製)絶縁基板としては、市販の窒化アルミニウム粉
体にY23を焼結助剤として添加し、焼成することによ
り、180W/mKの熱伝導率を有する、50×40×
0.635tmmのAlN(窒化アルミニウム)製絶縁
基板を作製した。また、市販の窒化珪素粉体にY23
MgOを焼結助剤として添加し、高温長時間焼成するこ
とにより、90W/mKの熱伝導率を有する、50×4
0×0.3tmmのSi34(窒化珪素)製絶縁基板を
作製した。
(Examples 9 and 10) (Preparation of Heat Sink Composite by Insulating Substrate / Solid Solution Active Metal Method) As an insulating substrate, Y 2 O 3 was added to a commercially available aluminum nitride powder as a sintering aid. By firing, having a thermal conductivity of 180 W / mK, 50 × 40 ×
An insulating substrate of 0.635 tmm made of AlN (aluminum nitride) was produced. In addition, Y 2 O 3 ,
By adding MgO as a sintering aid and firing at a high temperature for a long time, 50 × 4 having a thermal conductivity of 90 W / mK is obtained.
An insulating substrate of 0 × 0.3 tmm made of Si 3 N 4 (silicon nitride) was produced.

【0047】 一方、市販のSiC粒子(平均粒径約5
0μm)を前記放熱板の上面に設置し、その上面にCu
−Ti合金(Cu−15重量%Ti組成の合金)を戴置
した。次いで、15℃/min.の昇温速度で1000
℃まで昇温し、0.00133パスカルの真空下、10
00℃で30分間保持(前記の粉末活性金属と比較して
浸透速度が遅いために長時間保持)により溶融状態とな
ったCu−Ti合金をセラミックス分散材間隙中に浸透
後、2℃/min.の降温速度にて室温まで冷却して接
合体(金属基複合鋳造品)を作製した。上記の実施例5
〜10の金属基複合材中では、Ti等の活性金属がセラ
ミックス粒子界面近傍に偏析することにより、マトリッ
クス部分が、熱伝導性が良好な純Cu組成に近づくとい
う特徴を有する。
On the other hand, commercially available SiC particles (average particle size of about 5
0 μm) is placed on the upper surface of the heat sink, and Cu
A Ti alloy (an alloy having a Cu-15 wt% Ti composition) was placed thereon. Then, at 15 ° C./min. 1000 at a heating rate of
° C and under vacuum of 0.00133 Pascal,
After the Cu-Ti alloy melted by holding at 00 ° C. for 30 minutes (holding for a long time due to the lower permeation rate compared to the powdered active metal described above) penetrates into the gaps of the ceramic dispersion material, then 2 ° C./min. . The mixture was cooled to room temperature at a temperature lowering rate of to produce a joined body (metal-based composite casting). Example 5 above
In the metal matrix composites of Nos. 1 to 10, the active metal such as Ti segregates near the interface of the ceramic particles, so that the matrix portion has a characteristic of approaching a pure Cu composition having good thermal conductivity.

【0048】(比較例1、2) (絶縁基板/純Cu接合体の作製)絶縁基板としては、
市販の窒化アルミニウム粉体にY23を焼結助剤として
添加し、焼成することにより、180W/mKの熱伝導
率を有する、50×40×0.635tmmのAlN
(窒化アルミニウム)製絶縁基板を作製した。また、市
販の窒化珪素粉体にY23、MgOを焼結助剤として添
加し、高温長時間焼成することにより、90W/mKの
熱伝導率を有する、50×40×0.3tmmのSi3
4(窒化珪素)製絶縁基板を作製した。
(Comparative Examples 1 and 2) (Preparation of Insulated Substrate / Pure Cu Bonded Body)
By adding Y 2 O 3 as a sintering aid to a commercially available aluminum nitride powder and sintering, 50 × 40 × 0.635 tmm AlN having a thermal conductivity of 180 W / mK is obtained.
An insulating substrate made of (aluminum nitride) was manufactured. Further, by adding Y 2 O 3 and MgO as sintering aids to commercially available silicon nitride powder and firing at a high temperature for a long time, a 50 × 40 × 0.3 tmm having a thermal conductivity of 90 W / mK is obtained. Si 3
An insulating substrate made of N 4 (silicon nitride) was manufactured.

【0049】 一方、90W/mKの熱伝導率を有する
市販の純Cu板(80×50×3mm)(純Cu組成の
無酸素銅もしくはタフピッチ銅:Cu>99.9%)上
に市販のAg−Cu−Tiろう材(Ag−35Cu−
1.7Ti)ペーストを所定の厚みで片面に印刷した前
記絶縁基板を設置した。次いで、15℃/min.の昇
温速度で850℃まで昇温し、0.00133パスカル
の真空下、850℃で10分間接合後、2℃/min.
の降温速度にて室温まで冷却して接合体(放熱積層部
材)を作製した。
On the other hand, commercially available Ag is placed on a commercially available pure Cu plate (80 × 50 × 3 mm) having a thermal conductivity of 90 W / mK (oxygen-free copper or tough pitch copper having a pure Cu composition: Cu> 99.9%). -Cu-Ti brazing material (Ag-35Cu-
The above-mentioned insulating substrate on which 1.7 Ti) paste was printed on one surface with a predetermined thickness was placed. Then, at 15 ° C./min. At 850 ° C. at a rate of temperature increase, and bonding at 850 ° C. for 10 minutes under a vacuum of 0.00133 Pascal, and then 2 ° C./min.
To a room temperature at a temperature lowering rate of, to produce a joined body (radiation laminated member).

【0050】 かくして、作製した接合体を熱伝導率お
よび熱サイクル試験に供した。実施例1〜10および比
較例1、2の接合体に関する熱伝導率および熱サイクル
試験結果については、表1に示す。また、図4として本
発明に係る金属基複合鋳造品、換言すれば、絶縁基板/
ヒートシンク材、の一例であるAlN/SiC−Alの
接合界面領域でのSEM写真を示す。これより、基板/
金属基複合材界面に熱抵抗の障害となる介在層が存在し
ない構造となる。更に、パワーモジュール絶縁基板及び
ヒートシンク材として機能させる金属基複合材の物性
(熱膨張係数及び熱伝導率)については、表2に示す。
[0050] The thus produced joined body was subjected to a thermal conductivity and a thermal cycle test. Table 1 shows the thermal conductivity and thermal cycle test results of the joined bodies of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 4 shows a metal-based composite casting according to the present invention, in other words, an insulating substrate /
5 shows an SEM photograph of a heat sink material, which is an example of an AlN / SiC-Al bonding interface region as an example. From this, the substrate /
A structure in which no intervening layer that hinders thermal resistance is present at the interface of the metal-based composite material. Further, Table 2 shows physical properties (coefficient of thermal expansion and thermal conductivity) of the metal-based composite material functioning as a power module insulating substrate and a heat sink material.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】[0052]

【表2】 [Table 2]

【0053】 以下、本発明に係る金属基複合鋳造品に
関し、ヒートシンク機能を有する回路基板としての使用
例について実施例を挙げて説明する。 (実施例11、12、13) (ヒートシンク材よりも低融点のろう材にて上部電極を
接合する例1)絶縁基板としては、市販の窒化アルミニ
ウム粉体にY23を焼結助剤として添加し、焼成するこ
とにより、180W/mKの熱伝導率を有する、50×
40×0.635tmmのAlN(窒化アルミニウム)
製絶縁基板を作製した。また、市販の窒化珪素粉体にY
23、MgOを焼結助剤として添加し、高温長時間焼成
することにより、90W/mKの熱伝導率を有する、5
0×40×0.3tmmのSi34(窒化珪素)製絶縁
基板を作製した。
Hereinafter, examples of use of the metal-based composite casting according to the present invention as a circuit board having a heat sink function will be described with reference to examples. (Examples 11, 12, and 13) (Example 1 in which upper electrode is joined with a brazing material having a lower melting point than that of a heat sink material) As an insulating substrate, commercially available aluminum nitride powder is mixed with Y 2 O 3 as a sintering aid. And having a thermal conductivity of 180 W / mK, 50 ×
40 x 0.635 tmm AlN (aluminum nitride)
An insulating substrate was manufactured. In addition, Y is added to commercially available silicon nitride powder.
By adding 2 O 3 and MgO as sintering aids and sintering at a high temperature for a long time, it has a thermal conductivity of 90 W / mK,
A 0 × 40 × 0.3 tmm insulating substrate made of Si 3 N 4 (silicon nitride) was produced.

【0054】 これとは別に、市販のSiC粒子(平均
粒径約50μm)および粉砕により作製したAlN粒子
(平均粒径約50μm)に湿式無電解メッキにより、粒
子表面に約0.5μm厚みのNi−Bメッキを施した。
一方、前記AlNおよびSi34絶縁基板の両面に約1
μm厚みで無電解Ni−Bメッキを施した。前記絶縁基
板の片面上に、前記Ni−Bメッキ処理したSiCおよ
びAlN粒子を載置し、圧力をかけて厚みを薄くし、粒
子の充填率を向上させ、その上面に、後述する上部電極
を接合するろう材よりも高融点である、純Alからなる
Alろう材シート(Al050:Al>99.5%)を
戴置した。次いで、15℃/min.の昇温速度で70
0℃まで昇温し、0.00133パスカルの真空下、7
00℃で3分間保持により溶融状態となったAlろう材
をセラミックス分散材間隙中に浸透後、2℃/min.
の降温速度にて室温まで冷却して接合体(金属基複合鋳
造品)を作製した。
Separately, commercially available SiC particles (average particle size of about 50 μm) and pulverized AlN particles (average particle size of about 50 μm) are wet electrolessly plated on the surface of the particles to a thickness of about 0.5 μm Ni. -B plating was applied.
On the other hand, about 1 inch was placed on both sides of the AlN and Si 3 N 4 insulating substrates.
Electroless Ni-B plating was applied to a thickness of μm. The NiC-plated SiC and AlN particles are placed on one surface of the insulating substrate, and the thickness is reduced by applying pressure to improve the particle filling rate. An Al brazing material sheet (Al050: Al> 99.5%) composed of pure Al having a higher melting point than the brazing material to be joined was placed. Then, at 15 ° C./min. At a heating rate of 70
The temperature was raised to 0 ° C, and the pressure was reduced to 7 under a vacuum of 0.00133 Pascal.
After the Al brazing material melted by holding at 00 ° C. for 3 minutes penetrates into the gap between the ceramic dispersion materials, the Al brazing material is melted at 2 ° C./min.
The mixture was cooled to room temperature at a temperature lowering rate of to produce a joined body (metal-based composite casting).

【0055】 次いで、金属基複合鋳造品の絶縁基板上
に、シート厚約120μmの市販のAlろう材(BA4
004:Al−10Si−1.5Mg)を設置し、その
上に0.3mm厚の銅板を設置した状態で、15℃/m
in.の昇温速度で610℃まで昇温し、0.0013
3パスカルの真空下、610℃で10分間接合後、2℃
/min.の降温速度にて室温まで冷却して複合接合部
材を得た。次いで、複合接合部材の全面に回路形成用レ
ジストを印刷し、後にエッチングしない部分のみ選択的
に硬化した後、非硬化部分を除去し、露出した銅を塩化
第2銅水溶液でエッチングし、複合積層部材の最上面銅
板を回路パターンに形成した。さらに回路間のろう材を
除くため、酸性フッ化アンモニウム水溶液にて洗浄し、
さらに数回水洗した。その後、レジストを剥離し、最後
に最上面の銅板(=回路板)表面に保護層としてNi−
Pメッキを施して金属基複合鋳造品を作製した。
Next, a commercially available Al brazing material having a sheet thickness of about 120 μm (BA4
004: Al-10Si-1.5Mg), and a 0.3 mm-thick copper plate was placed thereon at 15 ° C./m
in. At a heating rate of 610 ° C.
After joining at 610 ° C for 10 minutes under a vacuum of 3 Pascal, 2 ° C
/ Min. Then, the composite joining member was obtained by cooling to room temperature at the temperature lowering rate. Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively curing only those portions which are not to be etched later, the uncured portions are removed, and the exposed copper is etched with an aqueous cupric chloride solution to form a composite laminate. The uppermost copper plate of the member was formed in a circuit pattern. Furthermore, in order to remove the brazing material between the circuits, it is washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride,
It was further washed several times with water. After that, the resist is peeled off, and finally, a Ni-
P-plating was performed to produce a metal-based composite casting.

【0056】(実施例14、15) (ヒートシンク材よりも低融点のろう材にて上部電極を
接合する例2)前記実施例5、7で作製した手法と同様
にAlNおよびSi34/SiC−Cu金属基複合鋳造
品を作製した。次いで、前記絶縁基板の片面上に、約1
μm厚みで無電解Ni−Bメッキを施した。その後、金
属基複合鋳造品の絶縁基板上に、シート厚約120μm
の市販のAlろう材(BA4004:Al−10Si−
1.5Mg)を設置し、その上に0.3mm厚の銅板を
設置した状態で、15℃/min.の昇温速度で610
℃まで昇温し、0.00133パスカルの真空下、61
0℃で10分間接合後、2℃/min.の降温速度にて
室温まで冷却して複合接合部材を得た。
(Examples 14 and 15) (Example 2 in which the upper electrode is joined with a brazing material having a lower melting point than the heat sink material) AlN and Si 3 N 4 / A SiC-Cu metal-based composite casting was produced. Then, on one side of the insulating substrate, about 1
Electroless Ni-B plating was applied to a thickness of μm. Then, a sheet thickness of about 120 μm was placed on the insulating substrate of the metal-based composite casting.
Commercially available Al brazing material (BA4004: Al-10Si-
1.5Mg), and a 0.3 mm thick copper plate was placed thereon. At a heating rate of 610
° C, under vacuum of 0.00133 Pascal, 61
After bonding at 0 ° C. for 10 minutes, 2 ° C./min. Then, the composite joining member was obtained by cooling to room temperature at the temperature lowering rate.

【0057】 次いで、複合接合部材の全面に回路形成
用レジストを印刷し、後にエッチングしない部分のみ選
択的に硬化した後、非硬化部分を除去し、露出した銅を
塩化第2銅水溶液でエッチングし、複合積層部材の最上
面銅板を回路パターンに形成した。さらに回路間のろう
材を除くため、酸性フッ化アンモニウム水溶液にて洗浄
し、さらに数回水洗した。
Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively hardening only those portions which are not to be etched later, the uncured portions are removed, and the exposed copper is etched with an aqueous cupric chloride solution. The uppermost copper plate of the composite laminated member was formed in a circuit pattern. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times.

【0058】 その後、レジストを剥離し、最後に最上
面の銅板(=回路板)表面に保護層としてNi−Pメッ
キを施して金属基複合鋳造品を作製した。
Thereafter, the resist was peeled off, and finally, the surface of the uppermost copper plate (= circuit board) was subjected to Ni-P plating as a protective layer to produce a metal-based composite casting.

【0059】(実施例16)(ヒートシンク材よりも低
融点のろう材にて上部電極を接合する例3)前記実施例
7にて作製した手法と同様にSi34/SiC−Cu金
属基複合鋳造品を作製した。次いで、金属基複合鋳造品
の絶縁基板上に、市販のAg−Cu−Tiろう材(Ag
−35Cu−1.7Ti)ペーストを所定の厚みで印刷
後、15℃/min.の昇温速度で850℃まで昇温
し、0.00133パスカルの真空下、850℃で10
分間接合後、2℃/min.の降温速度にて室温まで冷
却して複合接合部材を得た。
(Example 16) (Example 3 in which the upper electrode is joined with a brazing material having a lower melting point than the heat sink material) The Si 3 N 4 / SiC—Cu metal A composite casting was made. Then, a commercially available Ag-Cu-Ti brazing material (Ag
-35Cu-1.7Ti) paste at a predetermined thickness, and then printing at 15 ° C / min. At 850 ° C. under a vacuum of 0.00133 Pascal at a temperature of 850 ° C.
After joining for 2 minutes, 2 ° C./min. Then, the composite joining member was obtained by cooling to room temperature at the temperature lowering rate.

【0060】 次いで、複合接合部材の全面に回路形成
用レジストを印刷し、後にエッチングしない部分のみ選
択的に硬化した後、非硬化部分を除去し、露出した銅を
塩化第2銅水溶液でエッチングし、複合積層部材の最上
面銅板を回路パターンに形成した。さらに回路間のろう
材を除くため、酸性フッ化アンモニウム水溶液にて洗浄
し、さらに数回水洗した。その後、レジストを剥離し、
最後に最上面の銅板(=回路板)表面に保護層としてN
i−Pメッキを施して金属基複合鋳造品を作製した。
Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively curing only portions that are not to be etched later, the uncured portions are removed, and the exposed copper is etched with a cupric chloride aqueous solution. The uppermost copper plate of the composite laminated member was formed in a circuit pattern. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times. After that, the resist is stripped off,
Finally, N is applied as a protective layer on the top surface of the copper plate (= circuit board).
IP-plating was performed to produce a metal-based composite casting.

【0061】(実施例17) (上部電極を溶射により作製する例)前記実施例3にて
作製した手法と同様にSi34/SiC−Al金属基複
合鋳造品を作製した。次いで、窒化珪素絶縁基板上に、
回路パターン以外の部分にマスキングを行い、50μm
程度のAi−Si層を溶射後、Cuを0.3mm程度の
厚みに回路パターン上にHVOF溶射した。マスキング
を取り除いた後、銅回路表面を平滑に機械加工して、銅
回路を形成した。次いで、最上面の銅板(=回路板)表
面に保護層としてNi−Pメッキを施して金属基複合鋳
造品を作製した。
(Example 17) (Example of producing upper electrode by thermal spraying) In the same manner as in the method produced in Example 3, a Si 3 N 4 / SiC-Al metal-based composite casting was produced. Next, on a silicon nitride insulating substrate,
Mask the area other than the circuit pattern to 50 μm
After spraying about Ai-Si layer, Cu was HVOF sprayed on the circuit pattern to a thickness of about 0.3 mm. After removing the masking, the copper circuit surface was smooth machined to form a copper circuit. Next, Ni-P plating was applied as a protective layer on the surface of the uppermost copper plate (= circuit board) to produce a metal-based composite casting.

【0062】(実施例18) (ヒートシンク複合材の作製と上部電極の接合とを同時
に行う例1)絶縁基板としては、市販の窒化珪素粉体に
23、MgOを焼結助剤として添加し、高温長時間焼
成することにより、90WK/mKの熱伝導率を有す
る、50×40×0.3tmmのSi34(窒化珪素)
製絶縁基板を作製した。これとは別に、市販のSiC粒
子(平均粒径約50μm)に湿式無電解メッキにより、
粒子表面に約0.5μm厚みのNi−Bメッキを施し
た。一方、前記Si34絶縁基板の両面に約1μm厚み
で無電解Ni−Bメッキを施した。
(Example 18) (Example 1 in which preparation of heat sink composite material and joining of upper electrode are performed simultaneously) As an insulating substrate, commercially available silicon nitride powder was used as a sintering aid using Y 2 O 3 and MgO. By adding and sintering at a high temperature for a long time, 50 × 40 × 0.3 tmm Si 3 N 4 (silicon nitride) having a thermal conductivity of 90 WK / mK
An insulating substrate was manufactured. Separately from this, commercially available SiC particles (average particle size of about 50 μm) are subjected to wet electroless plating.
Ni-B plating having a thickness of about 0.5 μm was applied to the particle surface. On the other hand, electroless Ni-B plating with a thickness of about 1 μm was applied to both surfaces of the Si 3 N 4 insulating substrate.

【0063】 次いで、0.3mm厚の銅板上に、シー
ト厚約120μmの市販のAlろう材(BA4004:
Al−10Si−1.5Mg)を載置し、その上にさら
に前記両面Ni−Bメッキを施したSi34絶縁基板を
載置し、前記Ni−BメッキしたSiC粒子を載置し、
圧力をかけて厚みを薄くし、粒子の充填率を向上させ、
その上面に市販のAlろう材(BA4004:Al−1
0Si−1.5Mg)シートを戴置した。次いで、15
℃/min.の昇温速度で700℃まで昇温し、0.0
0133パスカルの真空下、700℃で3分間保持によ
り溶融状態となった上記Alろう材をセラミックス分散
材間隙中に浸透後、2℃/min.の降温速度にて室温
まで冷却して接合体(金属基複合鋳造品)を作製した。
接合体は、窒化珪素絶縁基板と放熱板となるSiC/A
lろうの金属基複合材層とが接合されており、窒化珪素
絶縁基板と最上面の0.3mm厚の銅板とが、Alろう
を介して接合された放熱積層部材が得られた。
Then, a commercially available Al brazing material (BA4004:
Al-10Si-1.5Mg), and the Si 3 N 4 insulated substrate on which the double-sided Ni-B plating is performed is further mounted thereon, and the Ni-B plated SiC particles are mounted thereon.
Reduce the thickness by applying pressure, improve the packing ratio of particles,
A commercially available Al brazing material (BA4004: Al-1)
0Si-1.5Mg) sheet. Then 15
° C / min. At a heating rate of 700 ° C.
The Al brazing material melted by holding at 700 ° C. for 3 minutes under a vacuum of 0133 Pascal penetrates into the gap between the ceramic dispersed materials, and then 2 ° C./min. The mixture was cooled to room temperature at a temperature lowering rate of to produce a joined body (metal-based composite casting).
The bonded body is composed of a silicon nitride insulating substrate and SiC / A serving as a heat sink.
Thus, a heat dissipating laminated member was obtained in which the metal base composite material layer was joined and the silicon nitride insulating substrate and the uppermost 0.3 mm thick copper plate were joined via the Al solder.

【0064】 次いで、複合接合部材の全面に回路形成
用レジストを印刷し、後にエッチングしない部分のみ選
択的に硬化した後、非硬化部分を除去し、露出した銅を
塩化第2銅水溶液でエッチングし、複合積層部材の最上
面銅板を回路パターンに形成した。さらに回路間のろう
材を除くため、酸性フッ化アンモニウム水溶液にて洗浄
し、さらに数回水洗した。その後、レジストを剥離し、
最後に最上面の銅板(=回路板)表面に保護層としてN
i−Pメッキを施して金属基複合鋳造品を作製した。
Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively curing only portions that are not to be etched later, the uncured portions are removed, and the exposed copper is etched with a cupric chloride aqueous solution. The uppermost copper plate of the composite laminated member was formed in a circuit pattern. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times. After that, the resist is stripped off,
Finally, N is applied as a protective layer on the top surface of the copper plate (= circuit board).
IP-plating was performed to produce a metal-based composite casting.

【0065】(実施例19) (ヒートシンク複合材の作製と上部電極の接合とを同時
に行う例2)絶縁基板としては、市販の窒化珪素粉体に
23、MgOを焼結助剤として添加し、高温長時間焼
成することにより、90WK/mKの熱伝導率を有す
る、50×40×0.3tmmのSi34(窒化珪素)
製絶縁基板を作製した。これとは別に、市販のSiC粒
子(平均粒径約50μm)に湿式無電解メッキにより、
粒子表面に約0.5μm厚みのNi−Bメッキを施し
た。一方、前記Si34絶縁基板の両面に約1μm厚み
で無電解Ni−Bメッキを施した。
(Example 19) (Example 2 in which preparation of heat sink composite material and joining of upper electrode are performed simultaneously) As an insulating substrate, commercially available silicon nitride powder was used as a sintering aid using Y 2 O 3 and MgO. By adding and sintering at a high temperature for a long time, 50 × 40 × 0.3 tmm Si 3 N 4 (silicon nitride) having a thermal conductivity of 90 WK / mK
An insulating substrate was manufactured. Separately from this, commercially available SiC particles (average particle size of about 50 μm) are subjected to wet electroless plating.
Ni-B plating having a thickness of about 0.5 μm was applied to the particle surface. On the other hand, electroless Ni-B plating with a thickness of about 1 μm was applied to both surfaces of the Si 3 N 4 insulating substrate.

【0066】 次いで、0.3mm厚の銅板上に、前記
Ni―Bメッキ処理したSiC粒子を載置し、圧力をか
けて厚みを薄くし、粒子の充填率を向上させ、その上面
に、Alろう材シート(BA4004:Al−10Si
−1.5Mg)を戴置し、その上に、両面にNi―Bメ
ッキを施した窒化珪素絶縁基板を載置した。更にその上
面に、前記Ni―BメッキSiC粒子を載置し、圧力を
かけて厚みを薄くし、粒子の充填率を向上させ、その上
面に市販のアルミろう材シート(BA4004:Al−
10Si−1.5Mg)を戴置した。次いで、0.00
133パスカルの真空下、15℃/min.の昇温速度
で700℃まで昇温し、700℃で3分間保持した後、
2℃/min.の降温速度で室温まで徐冷して接合体
(放熱積層部材)を作製した。接合体は、窒化珪素絶縁
基板と放熱板となるSiC/Alろうの金属基複合材層
とが接合されており、窒化珪素絶縁基板と最上面の0.
3mm厚の銅板とも、SiC/Alろうの金属基複合材
層を介して接合された放熱積層部材が得られた。
Next, the NiC-plated SiC particles were placed on a copper plate having a thickness of 0.3 mm, and the thickness was reduced by applying pressure to improve the packing ratio of the particles. Brazing material sheet (BA4004: Al-10Si
-1.5Mg), and a silicon nitride insulating substrate having Ni-B plating on both sides was placed thereon. Further, the Ni-B plated SiC particles are placed on the upper surface thereof, the thickness is reduced by applying pressure, the packing ratio of the particles is improved, and a commercially available aluminum brazing material sheet (BA4004: Al-
10Si-1.5Mg). Then 0.00
15 ° C./min. After the temperature was raised to 700 ° C. at a rate of
2 ° C / min. Then, the assembly was gradually cooled down to room temperature at a temperature lowering rate to produce a joined body (radiation laminated member). In the joined body, the silicon nitride insulating substrate and the metal-based composite material layer of SiC / Al brazing to be a heat radiating plate are joined, and the silicon nitride insulating substrate and the uppermost surface of the silicon nitride insulating substrate are combined with each other.
A heat-dissipating laminated member joined to the 3 mm-thick copper plate via the metal matrix composite material layer of SiC / Al brazing was obtained.

【0067】 次いで、かくして得られた放熱積層部材
の全面に回路形成用レジストを印刷し、後にエッチング
しない部分のみ選択的に硬化した後、非硬化部分を除去
し、露出した銅を塩化第2銅水溶液でエッチングし、放
熱積層部材の最上面銅板を回路パターンに加工した。さ
らに回路間のろう材を除くため、酸性フッ化アンモニウ
ム水溶液にて洗浄し、さらに数回水洗した。その後、レ
ジストを剥離し、最後に最上面の銅板(=回路板)表面
に保護層としてNi−Pメッキを施して放熱積層部材を
作製した。
Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the heat-dissipating laminated member thus obtained, and after selectively curing only the unetched portions, the non-cured portions are removed, and the exposed copper is replaced with cupric chloride. The uppermost copper plate of the heat dissipation laminated member was processed into a circuit pattern by etching with an aqueous solution. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times. Thereafter, the resist was stripped off, and finally, the surface of the uppermost copper plate (= circuit board) was subjected to Ni-P plating as a protective layer to produce a heat radiation laminated member.

【0068】(比較例3)窒化珪素粉体にY23、Mg
Oを焼結助剤として添加し、高温長時間焼成することに
より、90W/mKの熱伝導率を有する、50×40×
0.3tmmの窒化珪素製絶縁基板を作製した。両面に
市販のAg−Cu−Tiろう材(Ag−35Cu−1.
7Ti)ペーストを所定の厚みで印刷し、そこに0.3
mm厚の銅板を両面に設置した状態で、0.00133
パスカルの真空下850℃で10分間熱処理を行うこと
により、複合接合体を得た。次いで、複合接合部材の全
面に回路形成用レジストを印刷し、後にエッチングしな
い部分のみ選択的に硬化した後、非硬化部分を除去し、
露出した銅を塩化第2銅水溶液でエッチングし、複合積
層部材の最上面銅板を回路パターンに形成した。さらに
回路間のろう材を除くため、酸性フッ化アンモニウム水
溶液にて洗浄し、さらに数回水洗した。その後、金属部
表面に保護層としてNi−Pメッキを施して回路基板を
作製した。
Comparative Example 3 Y 2 O 3 , Mg
By adding O as a sintering aid and firing at a high temperature for a long time, a 50 × 40 × having a thermal conductivity of 90 W / mK is obtained.
A 0.3-mm-thick silicon nitride insulating substrate was produced. A commercially available Ag-Cu-Ti brazing material (Ag-35Cu-1.
7Ti) paste is printed at a predetermined thickness, and 0.3
0.00133 mm with a copper plate having a thickness of
A heat treatment was performed at 850 ° C. for 10 minutes under a vacuum of Pascal to obtain a composite bonded body. Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively curing only a portion that is not etched later, an uncured portion is removed.
The exposed copper was etched with an aqueous solution of cupric chloride to form the uppermost copper plate of the composite laminated member in a circuit pattern. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times. Thereafter, Ni-P plating was applied to the surface of the metal part as a protective layer to produce a circuit board.

【0069】 次いで、回路基板の回路を形成していな
い面と、特開平11−029379号に開示の方法によ
り作製したCu−SiC複合材(80×50×3mm:
放熱板)とを、半田付けにより接合した。
Next, the surface of the circuit board on which the circuit is not formed and the Cu—SiC composite material (80 × 50 × 3 mm: 80 mm × 50 mm × 3 mm) manufactured by the method disclosed in JP-A-11-029379.
(A heat sink) was joined by soldering.

【0070】(比較例4) (放熱板/ろう/基板/ろう/回路)市販の窒化珪素粉
体にY23、MgOを焼結助剤として添加し、高温長時
間焼成することにより、90W/mKの熱伝導率を有す
る、50×40×0.3tmmの窒化珪素製絶縁基板を
作製した。これとは別に、特開平11−029379号
に開示の方法により90W/mKの熱伝導率を有するC
u−SiC複合材(80×50×3mm:放熱板)を作
製した。前記放熱板の上面に、市販のAg−Cu−Ti
ろう材(Ag−35Cu−1.7Ti)ペーストを所定
の厚みで印刷し、さらにその上部に前記窒化珪素製絶縁
基板を戴置した。さらにその上面に、市販のAg−Cu
−Tiろう材(Ag−35Cu−1.7Ti)ペースト
を所定の厚みで印刷し、さらにその上面に0.3mm厚
の銅板を戴置した。
(Comparative Example 4) (Heat radiating plate / wax / substrate / wax / circuit) Y 2 O 3 and MgO were added to commercially available silicon nitride powder as a sintering aid, followed by firing at high temperature for a long time. A 50 × 40 × 0.3 tmm silicon nitride insulating substrate having a thermal conductivity of 90 W / mK was produced. Separately, C having a thermal conductivity of 90 W / mK by a method disclosed in JP-A-11-029379.
A u-SiC composite material (80 × 50 × 3 mm: heat sink) was produced. On the upper surface of the heat sink, commercially available Ag-Cu-Ti
A brazing material (Ag-35Cu-1.7Ti) paste was printed with a predetermined thickness, and the silicon nitride insulating substrate was placed on the printed material. Further, a commercially available Ag-Cu
-A Ti brazing material (Ag-35Cu-1.7Ti) paste was printed at a predetermined thickness, and a 0.3 mm thick copper plate was placed on the top surface.

【0071】 次いで、0.00133パスカルの真空
下、850℃で10分間保持した後、徐冷して接合体
(放熱積層部材)を作製した。接合体は、Cu−SiC
放熱板と窒化珪素絶縁基板とが、Ag−Cu−Tiろう
材層を介して接合されており、窒化珪素絶縁基板と最上
面の0.3mm厚の銅板とも、Ag−Cu−Tiろう材
層を介して接合されていた。次いで、複合接合部材の全
面に回路形成用レジストを印刷し、後にエッチングしな
い部分のみ選択的に硬化した後、非硬化部分を除去し、
露出した銅を塩化第2銅水溶液でエッチングし、複合積
層部材の最上面銅板を回路パターンに形成した。さらに
回路間のろう材を除くため、酸性フッ化アンモニウム水
溶液にて洗浄し、さらに数回水洗した。その後、レジス
トを剥離し、最後に最上面の銅板(=回路板)表面に保
護層としてNi−Pメッキを施して放熱積層部材を作製
した。
Next, after holding at 850 ° C. for 10 minutes under a vacuum of 0.00133 Pascal, the assembly was gradually cooled to produce a joined body (heat-dissipating laminated member). The joined body is Cu-SiC
The heat radiating plate and the silicon nitride insulating substrate are joined via an Ag-Cu-Ti brazing material layer, and the Ag-Cu-Ti brazing material layer is formed on both the silicon nitride insulating substrate and the uppermost 0.3 mm thick copper plate. Was joined through. Next, a circuit-forming resist is printed on the entire surface of the composite joining member, and after selectively curing only a portion that is not etched later, an uncured portion is removed.
The exposed copper was etched with an aqueous solution of cupric chloride to form the uppermost copper plate of the composite laminated member in a circuit pattern. Further, in order to remove the brazing material between the circuits, it was washed with an aqueous solution of acidic ammonium fluoride and further washed with water several times. Thereafter, the resist was stripped off, and finally, the surface of the uppermost copper plate (= circuit board) was subjected to Ni-P plating as a protective layer to produce a heat radiation laminated member.

【0072】 下記に実施例11〜19および比較例
3、4で得られた接合体についての熱抵抗および熱サイ
クル試験結果について表3に示す。
Table 3 shows the thermal resistance and thermal cycle test results of the joined bodies obtained in Examples 11 to 19 and Comparative Examples 3 and 4.

【0073】[0073]

【表3】 [Table 3]

【0074】(実施例20)実施例1で作製した放熱積
層部材の回路電極に、市販のSi製IGBT素子(パワ
ー半導体)を低温半田により接合した。次いで、ワイヤ
ーボンディング法によりIGBT素子の端子に金属ワイ
ヤーを電気的に接続すると共に、前記回路電極にも同様
に金属ワイヤーを接続した。その後、このIGBT素子
が搭載された放熱積層部材をパッケージ内に収納した。
次いで、前記パッケージ内部に、市販のポッティング用
シリコーンゲルを注入、硬化し、前記IGBT素子が搭
載された放熱積層部材の電気的絶縁性を高め、かつ機械
的信頼性を増すべく封止し、パワー半導体装置を作製し
た。
(Example 20) A commercially available Si IGBT element (power semiconductor) was joined to the circuit electrode of the heat radiation laminated member manufactured in Example 1 by low-temperature soldering. Next, a metal wire was electrically connected to a terminal of the IGBT element by a wire bonding method, and a metal wire was similarly connected to the circuit electrode. Thereafter, the heat dissipating laminated member on which the IGBT element was mounted was housed in a package.
Next, a commercially available silicone gel for potting is injected and cured into the package, and the heat dissipation laminated member on which the IGBT element is mounted is sealed to increase the electrical insulation and increase the mechanical reliability. A semiconductor device was manufactured.

【0075】[0075]

【発明の効果】 本発明に係る金属基複合鋳造品は、絶
縁基板と放熱板としての金属基複合材の形成・接合に際
して、特定の表面処理が施された絶縁基板と特定の表面
処理が施されたセラミック粒子であって特定の熱応力を
低下させることが可能な分散材とろう材とを併用するこ
とにより、当該セラミック粒子とろう材を一定の厚さを
持った放熱性を有する金属基複合材に変え、これを放熱
板として形成させるとともに、絶縁基板と放熱板との接
合を同時に行うことができる。かくして、上記のように
熱伝導率をヒートシンク、換言すれば、放熱板として要
求される所望の熱伝導率を保持しつつ、熱膨張係数を低
下させた放熱板を、しばしば、熱伝導の妨げとなる接合
層を形成せずに、直接絶縁基板に接合することにより、
所望とする放熱性、熱サイクル特性に優れたパワー半導
体装置用としての放熱積層部材、および、同放熱積層部
材を使用したパワー半導体装置を得ることができる。
EFFECTS OF THE INVENTION The metal-based composite casting according to the present invention is characterized in that, at the time of forming and joining a metal-based composite material as an insulating substrate and a heat sink, a specific surface-treated insulating substrate and a specific surface treatment are applied. By using a combination of a dispersing material capable of lowering a specific thermal stress and a brazing material, the ceramic particles and the brazing material are made of a metal substrate having a certain thickness and heat radiation. Instead of using a composite material, this can be formed as a radiator plate, and the insulating substrate and the radiator plate can be joined at the same time. Thus, as described above, a heat sink having a thermal conductivity, in other words, a heat sink having a reduced coefficient of thermal expansion while maintaining a desired thermal conductivity required as a heat sink, is often used as an obstacle to heat conduction. By directly bonding to the insulating substrate without forming a bonding layer
It is possible to obtain a heat-dissipating laminated member for a power semiconductor device excellent in desired heat-dissipating properties and heat cycle characteristics, and a power semiconductor device using the heat-dissipating laminated member.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 試験に使用した水冷モジュールの模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic view of a water-cooled module used for a test.

【図2】 本発明に係るパワー半導体装置の主要部の構
成を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a configuration of a main part of a power semiconductor device according to the present invention.

【図3】 従来例に係るパワー半導体装置の主要部の構
成を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of a power semiconductor device according to a conventional example.

【図4】 本発明に係る金属基複合鋳造品の一例である
Al/SiC−Alからなる金属基複合鋳造品における
AlN/SiC−Alの接合界面領域での絶縁基板と金
属基複合材との接合状況を示すSEM写真である。
FIG. 4 shows an example of a metal-based composite casting made of Al / SiC-Al, which is an example of a metal-based composite casting according to the present invention, in which an insulating substrate and a metal-based composite are bonded in an AlN / SiC-Al bonding interface region. It is a SEM photograph which shows a joining condition.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電極回路、2…ろう材、もしくは金属基複合材層、
3…絶縁基板、4…金属基複合材放熱板(ヒートシンク
材)、11…ヒータ、12…モジュール、13…流路、
14…ポンプ付ウォーターバス、15…流量計。
1. Electrode circuit, 2. Brazing material or metal matrix composite material layer,
Reference numeral 3 denotes an insulating substrate, 4 denotes a metal-based composite heat sink (heat sink material), 11 denotes a heater, 12 denotes a module, 13 denotes a flow path,
14: Water bath with pump, 15: Flow meter.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新木 清 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 別所 裕樹 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 牧野 琢磨 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 Fターム(参考) 4G026 BA16 BA17 BB22 BB35 BC01 BF16 BF20 BF24 BG02 BH07 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06 BD00 BD13 BD14  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kiyoshi Shinki 2-56, Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Inside Nihon Insulators Co., Ltd. No. 56 Inside Nihon Insulators Co., Ltd. (72) Inventor Takuma Makino 2 56 No. 56 Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi F-term in Nihon Insulators Co., Ltd. 4G026 BA16 BA17 BB22 BB35 BC01 BF16 BF20 BF24 BG02 BH07 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06 BD00 BD13 BD14

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミック粒子を分散させた金属基複合
材からなる放熱板と、当該放熱板の一方の表面上に接合
されている絶縁基板と、当該絶縁基板の他方の表面上に
設けられた電極とからなる積層放熱部材。
1. A heat sink made of a metal matrix composite material in which ceramic particles are dispersed, an insulating substrate joined to one surface of the heat sink, and provided on the other surface of the insulating substrate. A laminated heat dissipating member comprising electrodes.
【請求項2】 上記絶縁基板は、所望によりろう材また
は金属との濡れ性を確保するために、あらかじめその接
合面が表面処理されていてもよい絶縁基板であり、前記
金属基複合材からなる放熱板は、あらかじめろう材また
は金属との濡れ性を確保するために表面処理されたセラ
ミック分散粒子の間隙に溶融浸透されたろう材または金
属とを反応させて製造された金属基複合材であることを
特徴とする、請求項1に記載の積層放熱部材。
2. The insulating substrate is an insulating substrate whose joint surface may be subjected to a surface treatment in advance in order to ensure wettability with a brazing material or a metal, if desired, and is made of the metal-based composite material. The heat radiating plate is a metal matrix composite material produced by reacting the brazing material or metal that has been melt-infiltrated into the gaps between the ceramic dispersed particles that have been surface-treated in advance to ensure wettability with the brazing material or metal. The laminated heat radiating member according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記放熱板が、セラミック分散粒子と、
前記セラミック分散粒子の間隙に溶融浸透されたろう材
または金属とを反応させて製造された金属基複合材層で
あって、前記ろう材または金属が更にTi、Zr、N
b、およびHfからなる群から選ばれた少なくとも一種
の活性金属を含有しているか、または、前記活性金属粉
末を前記セラミック分散粒子の間隙中にあらかじめ分散
させておいて製造され得る金属基複合材であることを特
徴とする、請求項1に記載の積層放熱部材。
3. The radiator plate comprises ceramic dispersed particles,
A metal-based composite material layer manufactured by reacting a brazing material or metal melt-infiltrated into the gaps of the ceramic dispersed particles, wherein the brazing material or metal further comprises Ti, Zr, N
b, and a metal matrix composite containing at least one active metal selected from the group consisting of Hf, or produced by previously dispersing the active metal powder in the gaps between the ceramic dispersed particles. The laminated heat radiation member according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記絶縁基板が窒化アルミニウム、また
は窒化珪素であることを特徴とする、請求項1〜3のい
ずれか1項に記載の積層放熱部材。
4. The laminated heat radiating member according to claim 1, wherein said insulating substrate is made of aluminum nitride or silicon nitride.
【請求項5】 前記絶縁基板と、前記絶縁基板の表面上
に設けられた電極とが、セラミック粒子を分散させた金
属基複合材層を介して接合されていることを特徴とす
る、請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層放熱部
材。
5. The method according to claim 1, wherein the insulating substrate and an electrode provided on a surface of the insulating substrate are joined via a metal-based composite material layer in which ceramic particles are dispersed. The laminated heat radiation member according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 回路電極と、放熱板と絶縁基板とからな
る積層放熱部材と、同積層放熱部材に形成されている前
記回路電極に接合された半導体チップと、前記半導体チ
ップに電気的に接続された金属ワイヤーとからなり、前
記回路電極に電気的に接続された金属ワイヤーと、前記
半導体チップ、前記積層放熱部材、および前記回路電極
とは絶縁封止材により封止されているパワー半導体装置
であって、前記積層放熱部材は、請求項1〜5のいずれ
か1項に記載された積層放熱部材であることを特徴とす
るパワー半導体装置。
6. A laminated heat radiating member comprising a circuit electrode, a heat radiating plate and an insulating substrate, a semiconductor chip joined to the circuit electrode formed on the laminated heat radiating member, and electrically connected to the semiconductor chip. Power semiconductor device, comprising a metal wire electrically connected to the circuit electrode, and the semiconductor chip, the laminated heat dissipating member, and the circuit electrode sealed with an insulating sealing material. A power semiconductor device, wherein the laminated heat radiating member is the laminated heat radiating member according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 放熱板と、前記放熱板の一方の表面上に
接合されている絶縁基板と、前記絶縁基板の表面上に設
けられた電極とからなる積層放熱部材の製造法であっ
て、所望によりろう材または金属との濡れ性を確保する
ためにあらかじめ絶縁基板の接合面を表面処理する工程
と、あらかじめろう材または金属との濡れ性を確保する
ために表面処理されたセラミック粒子を絶縁基板上に載
置させる工程と、当該セラミック粒子の上にろう材を配
置させる工程と、当該ろう材を加熱溶融し、セラミック
粒子間隙に浸透させ、当該ろう材との反応により形成さ
れた金属基複合材を製造すると共に当該金属基複合材と
絶縁基板とを接合する工程、とを含むことを特徴とする
積層放熱部材の製造方法。
7. A method for manufacturing a laminated heat radiation member, comprising: a heat radiation plate; an insulating substrate joined to one surface of the heat radiation plate; and electrodes provided on the surface of the insulating substrate. If necessary, a step of surface-treating the joint surface of the insulating substrate in advance to ensure wettability with the brazing material or metal, and insulating the ceramic particles that have been surface-treated in advance to ensure wettability with the brazing material or metal. Placing on a substrate, placing a brazing material on the ceramic particles, heating and melting the brazing material, penetrating into the gap between the ceramic particles, and forming a metal substrate formed by a reaction with the brazing material. Producing a composite material and bonding the metal-based composite material to an insulating substrate.
【請求項8】 セラミックス粒子および/または絶縁基
板への濡れ性確保のための表面処理が、セラミックス粒
子および/または絶縁基板の少なくとも一部表面への金
属による被覆処理であり、当該処理が無電解メッキ法、
メッキ法、スパッタリング、またはイオンプレーティン
グであることを特徴とする、請求項7に記載の積層放熱
部材の製造方法。
8. The surface treatment for securing wettability to the ceramic particles and / or the insulating substrate is a coating treatment with a metal on at least a part of the surface of the ceramic particles and / or the insulating substrate, and the treatment is electroless. Plating method,
The method according to claim 7, wherein the method is plating, sputtering, or ion plating.
【請求項9】 放熱板と、放熱板の一方の表面上に接合
されている絶縁基板と、上記絶縁基板の表面上に設けら
れた電極とからなる積層放熱部材の製造法であって、セ
ラミック粒子を絶縁基板の上に載置させる工程と、当該
セラミック粒子の上にTi、Zr、NbおよびHfから
なる群から選ばれた少なくとも一種の活性金属を含有し
たろう材を配置させる工程と、当該ろう材を加熱溶融
し、セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう材との反
応により形成された金属基複合材からなる放熱板を製造
すると共に当該放熱板と絶縁基板とを接合する工程、と
を含むことを特徴とする積層放熱部材の製造方法。
9. A method for manufacturing a laminated heat radiating member comprising: a heat radiating plate; an insulating substrate joined to one surface of the heat radiating plate; and electrodes provided on the surface of the insulating substrate. Placing the particles on an insulating substrate, disposing a brazing material containing at least one active metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, and Hf on the ceramic particles; Heating and melting the brazing material, infiltrating the gap between the ceramic particles, manufacturing a heat sink made of a metal matrix composite formed by reaction with the brazing material, and joining the heat sink and the insulating substrate. A method for manufacturing a laminated heat dissipating member, comprising:
【請求項10】 放熱板と、放熱板の一方の表面上に接
合されている絶縁基板と、上記絶縁基板の表面上に設け
られた電極とからなる積層放熱部材の製造法であって、
Ti、Zr、NbおよびHfからなる群から選ばれた少
なくとも一種の活性金属粉末とセラミック粒子を絶縁基
板の上に載置させる工程と、当該セラミック粒子の上に
ろう材を配置させる工程と、当該ろう材を加熱溶融し、
セラミック粒子間隙に浸透させ、当該ろう材と反応した
金属基複合材を製造すると共に当該金属基複合材と絶縁
基板とを接合する工程、とを含むことを特徴とする積層
放熱部材の製造方法。
10. A method for manufacturing a laminated heat radiating member comprising a heat radiating plate, an insulating substrate joined to one surface of the heat radiating plate, and electrodes provided on the surface of the insulating substrate.
Placing at least one active metal powder selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb and Hf and ceramic particles on an insulating substrate; disposing a brazing material on the ceramic particles; Heat and melt the brazing material,
Producing a metal matrix composite that has been permeated into the gaps between the ceramic particles and reacted with the brazing material, and joining the metal matrix composite and the insulating substrate.
【請求項11】 金属基複合材からなる放熱板と絶縁基
板とを接合する熱処理時に、同時に絶縁基板と電極とを
ろう材または金属基複合材層を介して接合する工程を更
に含むことを特徴とする、請求項7〜10のいずれか1
項に記載の積層放熱部材の製造方法。
11. The method according to claim 1, further comprising the step of simultaneously bonding the insulating substrate and the electrode via a brazing material or a metal-based composite material layer at the time of heat treatment for bonding the heat sink made of the metal-based composite material and the insulating substrate. Any one of claims 7 to 10
13. The method for producing a laminated heat radiation member according to the above item.
【請求項12】 金属基複合材からなる放熱板と接合さ
れた絶縁基板に対し、絶縁基板と電極とを、ろう材また
は金属基複合材層を介して、前記放熱板と絶縁基板との
接合工程より低い温度の熱処理により接合する工程を更
に含むことを特徴とする、請求項7〜11のいずれか1
項に記載の積層放熱部材の製造方法。
12. An insulating substrate joined to a radiator plate made of a metal-based composite material is bonded to the radiator plate and the insulating substrate via a brazing material or a metal-based composite material layer. The method according to any one of claims 7 to 11, further comprising a step of joining by heat treatment at a temperature lower than the step.
13. The method for producing a laminated heat radiation member according to the above item.
【請求項13】 金属基複合材からなる放熱板と接合さ
れた絶縁基板に対し、絶縁基板上に、前記放熱板と絶縁
基板との接合工程より低い温度で電極をさらに形成する
工程を更に含むこと特徴とする、請求項請求項7〜12
のいずれか1項に記載の積層放熱部材の製造方法。
13. The method according to claim 1, further comprising the step of: further forming an electrode on the insulating substrate at a lower temperature than the bonding step between the heat radiating plate and the insulating substrate with respect to the insulating substrate bonded to the heat radiating plate made of the metal-based composite material. 13. The method according to claim 7, wherein:
The method for manufacturing a laminated heat radiation member according to any one of the above.
【請求項14】 接合工程より低い温度で電極をさらに
形成する工程が、メッキ法、スパッタリング法、イオン
プレーティング法、溶射法のいずれか一つの方法または
それらの組み合わせであることを特徴とする請求項13
に記載の積層放熱部材の製造方法。
14. The method according to claim 1, wherein the step of further forming an electrode at a lower temperature than the bonding step is any one of plating, sputtering, ion plating, and thermal spraying, or a combination thereof. Item 13
4. The method for manufacturing a laminated heat radiation member according to item 1.
【請求項15】 積層放熱部材の電極に半導体チップを
接合する工程と、半導体チップおよび電極にそれぞれ金
属ワイヤーを電気的に接続する工程と、前記半導体チッ
プ、前記積層放熱部材、前記回路電極をパッケージに収
納後にパッケージ内に絶縁封止材を注入する工程、とを
含むことを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。
15. A step of bonding a semiconductor chip to an electrode of the laminated heat dissipation member, a step of electrically connecting a metal wire to each of the semiconductor chip and the electrode, and packaging the semiconductor chip, the laminated heat dissipation member, and the circuit electrode. And a step of injecting an insulating sealing material into the package after being housed in the power semiconductor device.
【請求項16】 前記積層放熱部材が請求項7〜14の
いずれか1項に記載の方法で作製されたものであること
を特徴とする請求項15に記載のパワー半導体装置の製
造方法。
16. The method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 15, wherein said laminated heat radiation member is manufactured by the method according to any one of claims 7 to 14.
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