JP2001267468A - セラミックス回路基板複合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】放熱性に優れ、実使用下で繰り返し被る熱応力
の繰り返しを受けても、高信頼性を保つことのできるセ
ラミックス回路基板複合体を安価に提供する。 【解決手段】セラミックス回路基板を放熱部品にろう材
を介して接合してなるセラミックス回路基板複合体であ
って、前記ろう材の接合温度が５３０℃〜６４５℃であ
ることを特徴とするセラミックス回路基板複合体であ
り、好ましくは、セラミックス回路基板を構成している
セラミックス基板が窒化珪素からなることを特徴とする
前記のセラミックス回路基板複合体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等に使用される、放熱性に優れ、高信頼性を有する半導
体装置用回路基板複合体に関するもので、例えば、電鉄
や車両等の移動機器に搭載する電子部品に好適な、ヒー
トシンクと一体となったセラミックス回路基板、即ち、
セラミックス回路基板複合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクスの進歩に
より、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＩＰＭなどといった
パワーデバイスにより制御される機器が急速に増えつつ
あり、特に、電鉄や車両などの移動用機器のパワーデバ
イス化が注目されている。

【０００３】特に、最近は環境問題への関心の高まりと
共に、電気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを
併用するハイブリッドカーが市販され始めてきており、
それらに搭載されるパワーモジュールの需要の伸びが期
待されているが、このような車両等の移動機器用途に対
して、そこで使用されるパワーモジュールにはことに高
い信頼性が要求されている。

【０００４】

【発明の解決しようとする課題】しかし、従来公知のパ
ワーモジュールは、銅製ヒートシンク上に半田を介し
て、セラミックス基板の一方の面にＣｕ回路、他方の面
に放熱用Ｃｕ板を接合した、セラミックス回路基板を搭
載した構造を有しているので、その信頼性についてみる
と、両者の材料間の熱膨張率のマッチングが悪く、半田
付け界面の剥離が実使用中に発生すること、又、前記剥
離はチップより発生した熱を遮断することになるため、
放熱性の悪化に由来するチップの劣化が引き起こされ、
パワーモジュール全体の信頼性が低下するという問題が
ある。

【０００５】即ち、半導体素子であるＳｉチップをＣｕ
回路に半田付けした回路基板は、通常、その放熱用Ｃｕ
板をＣｕからなるヒートシンクに半田付けし、そのヒー
トシンクをグリースを介して水冷板や放熱フィン等の放
熱部品に締め付けて使用されるが、半導体素子の作動に
伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境における温度変化
等で、Ｓｉチップとセラミックス回路基板との間の半田
層やセラミックス回路基板とヒートシンクとの間の半田
層にクラックが生じる等の問題がある。

【０００６】そこで、（１）回路基板の放熱板とベース
板の間の半田を省いて放熱板を直接ベース板に接合す
る。（２）放熱板を省略してセラミックス基板を直接ベ
ース板に接合する。（３）ベース板まで省略して、セラ
ミックス基板を水冷板や放熱フィン等のヒートシンクに
直接搭載する等の試みが進められている。

【０００７】（１）では、セラミックス基板と放熱板、
放熱板とベース板の２回の接合が必要となるのでコスト
アップになることから、敬遠され、（２）のセラミック
ス基板とベース板の直接接合、又は（３）のヒートシン
クへの直接接合の検討による改善が注目されている。

【０００８】しかし、上記のように、放熱部品であるベ
ース板またはヒートシンクとセラミックス基板とを直接
接合した場合、セラミックス基板と金属からなる放熱部
品との熱膨張係数の差が大きい上、放熱部品が放熱用Ｃ
ｕ板に比べて厚みをもっているため、セラミックス基板
に加わる繰り返し熱応力が大きくなり、窒化アルミニウ
ムのような強度の高くないセラミックス基板では、セラ
ミックス基板自体に微細なクラックが発生してしまう。

【０００９】また、Ａｌ/ＳｉＣ複合材をヒートシンク
とし、ＡｌをＳｉＣに含浸させると同時にセラミックス
基板と接合させることも検討されているが、ヒートシン
クの製造自体が非常に高度な技術であるうえ、セラミッ
クス基板がＡｌ層に埋もれてしまう等、未解決な課題が
ある。しかも、ヒートシンクやセラミックス基板の形状
が変わると、ヒートシンクの製造条件を変えなくてはな
らなくなり、不都合である。

【００１０】このように、ヒートシンクとセラミックス
基板とを直接接合すれば、安価で効率的な放熱性を有す
るモジュールが得られると期待されるにも拘わらず、工
業的な接合技術がなく、実現されていない。

【００１１】上記事情から、高信頼性が要求される移動
機器用途のパワーモジュールでは、前記セラミックス回
路基板とヒートシンクとの間の半田層にクラックが発生
するのをさける目的で、Ｃｕよりも熱膨張係数が小さい
材質のヒートシンクを用いることが検討されていて、セ
ラミックス基板との熱膨張率が近いＡｌ−ＳｉＣ複合材
からなるヒートシンクあるいはＣｕ−Ｍｏ複合材からな
るヒートシンクを用いることが検討されている。

【００１２】しかしながら、複合材料の適用は、パワー
モジュールの信頼性を高めるという点では有効である
が、複合材料が特殊な製法で作製されるため非常に高価
となってしまう欠点がある。更に、熱伝導率に関して、
銅製ヒートシンクが４００Ｗ／ｍＫであるのに対して、
Ａｌ−ＳｉＣ複合材やＣｕ−Ｍｏ複合材は２００Ｗ／ｍ
Ｋ程度であるため、得られるパワーモジュールの放熱性
が十分でないという大きな欠点がある。

【００１３】そのため、高いコストパフォーマンスと共
に高い信頼性が要求される、自動車などの民生用途に
は、高価なヒートシンクを用いないで、高信頼性を維持
する放熱構造が検討されているが、高信頼性と低価格と
を両立させることが容易でなく、現在までに実用化され
ていない。

【００１４】更に、近年、上述したとおりに、半導体装
置の高集積化、大電力化に伴って、益々高い放熱性が求
められているとともに、環境汚染問題から半田が鉛フリ
ー組成であることが望まれている。しかし、現在の代用
半田は、現在多用されているＰｂ−Ｓｎ系半田に比べて
濡れ性に劣るので、それを用いた半導体装置の信頼性が
充分ではないという問題がある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術
の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱
性に優れ、実使用下で繰り返し被る熱応力の繰り返しを
受けても、高信頼性を保つことのできる半導体搭載用回
路基板複合体、即ちセラミックス回路基板複合体を、安
価に提供することにある。

【００１６】本発明者は、上記従来技術の状況に鑑み
て、パワーモジュールの構造とその信頼性との関係につ
いていろいろ実験的に検討した結果、安価な金属製のヒ
ートシンクを用いながらも、高信頼性のモジュールを達
成することができるという知見を得て、本発明に至った
ものである。

【００１７】即ち、本発明は、セラミックス回路基板を
放熱部品にろう材を介して接合してなるセラミックス回
路基板複合体であって、前記ろう材の接合温度が５３０
℃〜６４５℃であることを特徴とするセラミックス回路
基板複合体であり、好ましくは、セラミックス回路基板
を構成しているセラミックス基板が窒化珪素からなるこ
とを特徴とする前記のセラミックス回路基板複合体であ
る。

【００１８】また、本発明は、前記ろう材がＡｌ−Ｚｎ
合金、或いはＭｇとＣｕ、Ｇｅ及びＳｉからなる群から
選ばれる１種以上とを含有するＡｌ合金であることを特
徴とする前記のセラミックス回路基板複合体であり、好
ましくは、セラミックス回路基板の前記ろう材側の面
に、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれかからな
る金属層を設けていることを特徴とする前記のセラミッ
クス回路基板複合体である。

【００１９】更に、本発明は、セラミックス回路基板の
前記ろう材側とは反対側の面に、Ａｌ又はＡｌ合金から
なる回路を設けていることを特徴とする前記のセラミッ
クス回路基板複合体であり、好ましくは、放熱部品の表
面がＣｕまたはＣｕ合金からなり、前記ＣｕまたはＣｕ
合金からなる面の少なくともセラミックス回路基板に接
する部分に、Ｎｉを主成分とする層を設けていることを
特徴とする前記のセラミックス回路基板複合体である。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明は、セラミックス回路基板
を放熱部品にろう接してなるセラミックス回路基板複合
体であって、前記ろう材の接合温度が５３０℃〜６４５
℃であることを特徴とする。本発明のセラミックス回路
基板複合体は、セラミックス回路基板と放熱部品である
ヒートシンクとをろう材を用いて接合しているので、両
者の接合界面が強固となり、長期信頼性を保つばかりで
なく、熱放散性にも優れるという効果が得られる。

【００２１】ろう接に用いられるろう材の接合温度が５
３０℃未満の場合には、ろう材の組成にも依るが、接合
不良が多く発生しやすくなるし、５３０℃未満の接合温
度で接合し得る組成のろう材を用いた場合には、従来公
知の半田を用いた場合と特性上大差ないことがある。一
方、６４５℃を超える接合温度では、セラミックス回路
基板上にアルミニウムからなる回路が形成されている場
合に、アルミニウムの融点直下の温度となるため、アル
ミニウム或いはアルミニウム合金からなる回路（以下、
アルミニウム回路という）の局所的な溶融が発生し品質
の安定した接合が得難くなることがある。

【００２２】本発明の具体的な態様として、接合温度が
５３０℃〜６４５℃で好適な組成を有するろう材を選択
すれば良いが、本発明者の検討に依れば、ろう材とし
て、アルミニウム（Ａｌ）−亜鉛（Ｚｎ）合金、或いは
マグネシウム（Ｍｇ）と銅（Ｃｕ）、ゲルマニウム（Ｇ
ｅ）及び珪素（Ｓｉ）からなる群から選ばれる１種以上
とを含有するＡｌ合金が好ましく選択される。

【００２３】セラミックス基板と金属板との接合にはＡ
ｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｇｅ系合金が知られているが、
ＭｇとＣｕ、Ｇｅ及びＳｉからなる群から選ばれる１種
以上とを含有するＡｌ合金、並びにＺｎを含有するＡｌ
合金からなるろう材には、前記合金に比較して、セラミ
ックス基板との接合条件の許容幅が広く、真空中でなく
とも接合できる特徴があるので、生産性に優れた接合が
可能となる。

【００２４】即ち、従来公知のＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ
−Ｇｅ系合金では、比較的多量にＳｉやＧｅを添加しな
いと融点が低下しないが、多量に添加すると合金が硬く
て脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせな
いように、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金において、Ｓｉの割
合を５％まで下げると融点が６１５℃となり、加圧を行
っても６２０℃以下の温度での接合は困難となる。

【００２５】これに対し、本発明に用いるＭｇを含有す
るＡｌ合金、ことにＡｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍ
ｇ−Ｇｅ系合金或いはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金では、Ｃ
ｕ、Ｇｅ、Ｓｉの割合を４％程度まで下げても適切に加
圧等の手段を講じることによって、５３０℃程度での接
合が可能となり、接合条件の許容幅が広がる。更に、Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金並びに
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系は、ＳｉやＧｅが単独でＡｌに添加
されている場合に比べて、Ｃｕ、Ｇｅ、ＳｉやＭｇがＡ
ｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じた
り、余分なろう材が押し出されてしまうはみ出し現象が
生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となる。

【００２６】Ｍｇを含有するＡｌ合金中のＭｇについて
は、少量添加することによって、接合状態が良好にな
る。これはＡｌ表面の酸化物層の除去効果や窒化珪素基
板表面とろう材の濡れ性改善効果によると推察される。
Ｍｇの割合は、０．０５〜３質量％が好ましい。０．０
５質量％未満では添加効果が顕著でなくなり、３質量％
超ではＡｌ又はＡｌ合金の硬度に悪影響を与えるうえ、
接合時に多量に揮発して炉操業に支障をきたすことがあ
る。特に好ましくは、０．１〜１．０質量％である。

【００２７】Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金中のＣｕの割合
は、２〜１０質量％であることが好ましい。２質量％未
満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなって
しまい、また１０質量％超では、接合後のろう材の拡散
部が特に硬くなって回路基板の信頼性が低下する恐れが
ある。好ましくは２〜６質量％である。

【００２８】また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金中のＧｅの
割合は、２〜２０質量％であることが好ましい。２質量
％未満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くな
ってしまい、また２０質量％超では、接合後のろう材の
拡散部が特に硬くなって回路基板の信頼性が低下する恐
れがある。好ましくは２〜１０質量％である。

【００２９】Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金中のＳｉの割合
は、４〜１４質量％あることが好ましい。４質量％未満
では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってし
まい、また１４質量％超では、接合後のろう材の拡散部
が特に硬くなって回路基板の信頼性が低下する恐れがあ
る。好ましくは４〜１２質量％である。

【００３０】本発明で使用されるＡｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合
金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金或いはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系
合金並びにＡｌ−Ｚｎ系合金は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｇ
ｅ、Ｓｉ、Ｚｎの主要成分はもとより、それ以外の成分
を含んでいてもよい。例えばＡｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、
Ｓｉ、Ｚｎ以外に、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、
Ｂ、Ｆｅ等の成分を合計で５質量％程度以下を含んでい
てもよい。本発明で使用されるろう材の組成について日
本工業規格の例をあげれば、４質量％程度のＣｕと０．
５質量％程度のＭｇが含まれる２０１８合金、更に０．
５質量％程度のＭｎ等が含まれる２０１７合金を始め、
２００１、２００５、２００７、２０１４、２０２４、
２０３０、２０３４、２０３６、２０４８、２０９０、
２１１７、２１２４、２２１４、２２１８、２２２４、
２３２４、７０５０等が挙げられる。

【００３１】加えて、セラミックス回路基板上にアルミ
ニウム回路が形成されている場合に、その表面は酸化層
が形成されていることが多いが、前記ろう材を用いると
きは、前記接合温度範囲内で前記酸化層が存在しても接
合力が十分に強固な接合層を形成することができる。ま
た、前記ろう材が好ましい理由については、本発明者
は、接合温度が前記温度範囲において溶解、あるいは部
分的に溶解することが必要で、このためＺｎ、Ｓｉ、Ｇ
ｅ、Ｃｕのうちから１種以上を含むアルミニウム合金で
あることが選択されるし、アルミニウム回路或いはろう
材そのものの表面に存在するアルミニウムの酸化層を除
去してゲッタリング作用をもたらすために、Ｚｎ又はＭ
ｇのうち少なくとも一種が選択されるものと考えてい
る。

【００３２】本発明において、セラミックス回路基板
が、該セラミックス回路基板のろう材側の面に、Ａｌ、
Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれかからなる金属層を
設けていることを特徴としている。この構成を採用する
ことにより、前記ろう材を用いて接合することが容易と
なり、得られるセラミックス回路基板複合体の品質も安
定する効果が得られる。前記金属層の厚みについては、
本発明者の検討結果に基づけば、５０〜５００μｍのも
のが好ましく用いられる。

【００３３】また、本発明において、放熱部品であるヒ
ートシンクの表面がＣｕまたはＣｕ合金からなり、前記
ＣｕまたはＣｕ合金からなる面の少なくともセラミック
ス回路基板に接する部分に、ニッケル（Ｎｉ）を主成分
とする層を設けていることが好ましい。放熱部品の表面
がＣｕまたはＣｕ合金から構成することで、熱放散が接
合部を通じて充分行われることが期待できる。更に、前
記接合層部分にＮｉを主成分とする層を設けることで、
Ａｌを含有するろう材と前記Ｃｕ又はＣｕ合金とが、接
合操作において発生しやすい両者間の過剰反応を防ぐこ
とができるので、その結果、良好で安定した接合状態を
有するセラミックス回路基板複合体を得ることができ
る。

【００３４】前記Ｎｉ層を放熱部品の表面に設ける方法
については、従来公知の方法を適用すればよいが、無電
解めっき法は高価な設備を必要とせずに、厚みむらが少
なく品質の安定したＮｉ層を得ることができるので、好
ましい。更に、前記Ｎｉ層の厚みについては、本発明者
の検討結果に依れば、３〜２０μｍが好ましい。

【００３５】本発明に用いられるセラミックス回路基板
に関して、セラミックス基板は必要とされる絶縁特性や
熱伝導率や機械強度などの特性を満たしていればどの様
なものでも構わず、従来公知のアルミナ、窒化珪素等が
用いられるが、高い強度と比較的高い熱伝導率を兼ね備
えた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）がより好適である。窒化珪素
基板は機械的強度に優れいるため、熱膨張係数の差が大
きくて厚みのある放熱部品に直接接合しても、窒化珪素
基板に加わる繰り返し熱応力によるクラックは発生し難
いからである。また、窒化珪素基板の熱伝導率は７０Ｗ
／ｍＫ以上であることが好ましい。７０Ｗ／ｍＫ以上の
熱伝導率を有する場合には、直接放熱部品に接合するこ
とで熱抵抗を低く押さえられるため、得られる回路基板
複合体を実質的に多くの用途に適用することが可能であ
る。

【００３６】前記セラミックス基板上に設けられる回路
としては、良導電性の金属であれば何でもかまわない
が、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウムが好ましく
用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電
気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、
高純度のものが好ましい。ここで、セラミックス基板に
接合される回路或いは金属板については、表面と裏面と
が同一種類の金属であることが好ましいが、目的に応じ
ていずれかの一主面がアルミニウムで他の一主面が銅で
ある構成でもかまわない。

【００３７】セラミックス回路基板の回路、或いは金属
板と、セラミックス基板との接合に用いるろう材につい
ては、セラミックス基板と回路又は金属板を構成する金
属に応じて適宜選択すれば良いが、前記金属が銅の場合
にはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材がセラミックス回路基板
と放熱部品或いは金属製ヒートシンク、セラミックス基
板と回路や金属板との接合力が高いので好ましい。こと
に、アルミニウムからなる回路を有するセラミックス回
路基板を銅製放熱部品或いは銅製ヒートシンクに接合す
る場合には、マグネシウムと、銅とゲルマニウムとケイ
素とからなる群から選ばれる２種以上の元素とを含有す
るアルミニウム合金が、窒化アルミニウム基板と銅製ヒ
ートシンクとの密着性に優れ、本発明の目的をより確実
に達成できるので、好ましい。

【００３８】また、アルミニウムからなる回路を有する
セラミックス回路基板においては、ろう材としてＪＩＳ
呼称２０１７アルミニウム合金を用いると、前記アルミ
ニウム合金は接合の際に、回路のアルミニウムと容易に
一体化するので、一層好ましい。

【００３９】また、本発明において、放熱部品或いはヒ
ートシンクに用いる金属については、前述したとおり
に、表面がＣｕまたはＣｕ合金からなっておればどの様
なものであっても良いが、安価で熱伝導率が高いＣｕ、
或いはＣｕ合金が好ましく用いられる。

【００４０】本発明のセラミックス回路基板複合体にお
いて、その生産性が著しく高められている。その理由の
一つは、接合が真空炉に限定されないことである。真空
炉は元来高価なうえ、連続化が難しく、またバッチ炉で
は容積効率が悪い。大型炉にすると温度分布が生じ易
く、高収率での生産は望めない。これに対し、本発明の
ろう材は接合温度が５３０〜６４５℃であり、真空下で
なくともＮ₂、Ｈ₂、不活性ガス及びこれらの混合ガスの
低酸素雰囲気下で接合することができるので、炉構造が
簡単になり、連続化も容易となる。更に、連続化によっ
て、温度分布等の製品のバラツキ要因を低減させること
ができ、歩留まりよく、品質の安定した製品を製造する
ことができるという特徴を示す。

【００４１】尚、本発明のセラミックス回路基板複合体
は、２００℃以上、好ましくは３００〜３５０℃程度の
温度範囲で焼鈍することによって、セラミックス基板に
残留しがちな熱応力を緩和することができる。

【００４２】

【実施例】〔実施例１〕セラミックス基板として、３５
×３５×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッシ
ュ法による熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平
均値が６００ＭＰａの窒化珪素基板を用意した。また、
回路となる金属板と前記窒化珪素基板の放熱部品に対す
る面（以下、基板裏面という）に設けられる金属板とし
て３２×３２×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５アルミ
ニウム板を２枚用意した。

【００４３】前記窒化珪素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼
称２０１７アルミニウム合金箔（２０μｍ厚さ）を介し
て前記アルミニウム板を重ね、垂直方向に３００ＭＰａ
で加圧した。そして、１０^-2Ｐａの真空中、温度６３０
℃×２０ｍｉｎの条件下で加熱しながらアルミニウム板
と窒化珪素基板とを接合した。接合後、アルミニウム板
表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷
して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することによ
り回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製
した。

【００４４】次に、ヒートシンクとして、７０×１３０
×３ｍｍサイズの無酸素銅板に、厚み１０μｍの無電解
Ｎｉ−リン（Ｐ）メッキを全表面にほどこしたものを用
意した。そして、前記セラミックス回路基板と前記ヒー
トシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７
アルミニウム合金箔を入れ、黒鉛治具で加圧力３００Ｍ
Ｐａで加圧した。その状態で加圧しながら１０^-2Ｐａの
真空中において６１０℃×４ｍｉｎの加熱条件で接合し
た。最後に基板と放熱板全面に無電解Ｎｉメッキを行
い、セラミックス回路基板複合体を得た。

【００４５】前記操作で得たセラミックス回路基板複合
体について、次に示す方法で、放熱特性の評価、熱サイ
クル負荷時の信頼性評価、更に熱抵抗の評価を行った。
この結果を表１と表２に示す。

【００４６】＜放熱特性の評価＞セラミックス回路基板
上の回路にヒーターを半田付けし、セラミックス回路基
板複合体の底面に、放熱ユニットを放熱用シリコーング
リースを介して設置し、各部の温度を熱電対により測定
することによって、モジュールとしての冷却性能を調べ
る。評価は、ヒーター出力を１００Ｗ、放熱ユニットの
温度が６０℃となる条件とし、このときのヒーター温度
を測定する。

【００４７】＜信頼性試験＞セラミックス回路基板複合
体について、−４０℃で３０分保持後に昇温して１２５
℃とし同温度で３０分保持し−４０℃に冷却することを
１回とするヒートサイクルを負荷し、ヒートサイクル５
００回、１０００回、３０００回経過後に、セラミック
ス回路基板とヒートシンクとの間の接合界面の接合状況
をＳＡＴ（超音波映像探傷装置）により調べ、異状が認
められた時のヒートサイクル回数を調べる。

【００４８】＜熱抵抗測定＞セラミックス回路基板複合
体を、高熱伝導性グリースを介して、水冷式冷却ユニッ
ト上に、ネジ止め固定し、セラミックス回路基板上の回
路に設けたヒーターと水冷式冷却ユニット表面の温度差
を調べることにより熱抵抗を測定した。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】〔実施例２〕セラミックス基板として、３
５×３５×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッ
シュ法による熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強さ
の平均値が６００ＭＰａの窒化珪素基板を用意した。ま
た、回路用の金属板として３２×３２×０．４ｍｍのＪ
ＩＳ呼称１０８５アルミニウム板と基板裏面用の金属板
として３２×３２×０．３ｍｍ無酸素銅板を用意した。

【００５２】銅板とセラミックスを接合するろう材とし
ては、Ａｇと、Ｃｕと、ＴｉＨ₂とからなる混合粉（Ａ
ｇ：Ｃｕ：ＴｉＨ₂＝９０：１０：５ｍａｓｓ％）にＰ
ＭＭＡ樹脂とテルピネオール溶液とを適量添加し、らい
かい混合機と３本ロールとを用いて、混合と混練りを十
分におこないペースト化した（以下、ここで得られたも
のを、ペーストロウ材と呼ぶ）。

【００５３】次に、アルミニウム板とセラミックスを接
合するろう材として、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム
合金箔（厚さ２０μｍ）を、前記アルミニウム板と同一
寸法に切り取ったものを用意した。

【００５４】前記窒化珪素基板の片面に、前記ペースト
ロウ材を１０ｍｇ／ｃｍ²の塗布量でスクリーン印刷に
より塗布した。そして裏面に前記銅板を重ね、垂直方向
に１０ＭＰａで加圧した。そしてその状態で、１０^-2Ｐ
ａの真空中、温度８５０℃×２０ｍｉｎの条件下で加熱
しながら銅板と窒化ケイ素板とを接合した。

【００５５】次に、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合
金箔（２０μｍ厚さ）を介して前記アルミニウム板を重
ね、垂直方向に３００ＭＰａで加圧した。そして、１０
^-2Ｐａの真空中、温度６３０℃×２０ｍｉｎの条件下で
加熱しながらアルミニウム板と窒化珪素基板とを接合し
た。

【００５６】接合後、アルミニウム接合面には全面エッ
チングレジストを印刷し、銅板接合面の所望部分にエッ
チングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液
にてエッチング処理することにより回路パターンを形成
した後に、フッ化アンモニウム塩と過酸化水素水の混合
溶液でエッチング処理をすることにより余分なろう材を
除去してセラミックス回路基板とした。

【００５７】次に、放熱部品のヒートシンクとして、７
０×１３０×３ｍｍサイズの無酸素銅板（Ｃ１０２０
Ｐ）に、厚み１０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキを全表面
にほどこしたものを用意した。そして、前記セラミック
ス回路基板と前記ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍ
のＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を入れ、黒鉛
治具で加圧した。また、黒鉛治具で加圧しながら接合す
る際に、加圧力３００ＭＰａを負荷した状態で６１０℃
×４ｍｉｎの加熱条件で接合し目的とするセラミックス
回路基板複合体を得た。実施例１と同じ評価を行い、そ
の結果を表１と表２に示す。

【００５８】〔比較例１〕実施例１と同一形状の窒化ア
ルミニウムセラミックスの両主面へアルミニウムが接合
されたセラミックス回路基板を作製した。そしてこの基
板の金属部分において、半田付けが可能となるようにす
るため、基板両面に無電解Ｎｉメッキをおこなった。次
に、実施例１と同一形状の無電解Ｎｉ−Ｐメッキされた
銅製ヒートシンクを用意し、セラミックス回路基板とヒ
ートシンクとを共晶半田で半田付けし、セラミックス回
路基板複合体を作製し、実施例１と同じ評価を行った。
その結果を、表１と表２に示す。

【００５９】〔比較例２〕比較例１と同様に窒化アルミ
ニウムセラミックスの両主面にアルミニウムが接合され
たセラミックス回路基板を作製し、さらにＮｉメッキさ
れたＡｌ−ＳｉＣ複合材ヒートシンクを用意して基板と
ヒートシンクを共晶半田で半田付けしたものを作製し、
実施例１と同じ評価を行った。この結果を表１と表２に
示す。

【００６０】表１より、比較例２は、実施例１、２に比
べてＳｉチップの温度が高く、パワーモジュールモジュ
ールとしての高負荷時の使用には制限があることがわか
る。また、表２より、比較例１はヒートサイクル５００
回未満の時点で基板とヒートシンク間の半田にクラック
が発生しており、さらに１０００回未満の時点でＳｉチ
ップの下に半田クラックが発生している。例えば、ハイ
ブリッドカーや電鉄車両用のモジュールに必要とされる
ヒートサイクル回数は３０００回以上であるので、この
ような少ないヒートサイクル回数での半田クラック発生
は信頼性が低く実用的ではない。実施例１、２はいずれ
も、３０００回以上のヒートサイクル経過後であっても
半田クラックの発生が無く、信頼性が極めて高く、熱放
散性にも優れていることが明らかである。

【００６１】〔実施例３〜９、比較例３〜８〕 （１）セラミックス基板 ４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化珪素及び窒
化アルミニウム基板で、レーザーフラッシュ法による熱
伝導率がそれぞれ９５Ｗ／ｍＫ及び１７５Ｗ／ｍＫ、３
点曲げ強さの平均値がそれぞれ７００ＭＰａ及び４２０
ＭＰａであるものを用意した

【００６２】（２）ベース板、ヒートシンク及びＡｌ回
路 ベース板は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの無酸素銅材
（Ｃ１０２０）の全面にＮｉメッキ（厚み５μｍ）を施
したものとしていないもの、及び純Ａｌ材（Ａ１０５
０）を用いた。また、ヒートシンクは５０ｍｍ×５０ｍ
ｍ×２０ｍｍで上記ベース板と同じ無酸素銅材で全面Ｎ
ｉメッキしたものとしていないもの及びＡｌ材を用い
た。また、Ａｌ回路は厚み０．４ｍｍの市販のＡｌ材
（純度≧９９．９９％）から、回路パターンを打ち抜い
て用いた。

【００６３】（３）セラミックス回路基板複合体の作製 表３に示されるろう材（厚み３０μｍ）と、前記のセラ
ミックス基板、放熱部品及びＡｌ回路とを積層した。こ
れを炉外から油圧式の一軸加圧装置でカーボン製の押し
棒を介してセラミックス基板面と垂直方向に加圧しなが
ら加熱を行い、接合した。接合条件は、表４に示すとお
りであり、４×１０^-3Ｐａの真空中（バッチ炉）又はＮ
₂ガス中（連続炉）で行った。さらに、作製した各セラ
ミックス回路基板複合体のＡｌ回路にＮｉメッキを施し
た後、裏がＡｕでメッキされた１５ｍｍ×１５ｍｍ×
０．４ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそ
れぞれ９０：１０である半田を用いてＡｌ回路面に接合
した。なお、比較例５では、セラミックス基板の表裏両
面にＡｌ板（厚み０．４ｍｍ）を接合し、上記方法によ
りシリコンチップを接合後、共晶半田で放熱部品に接合
した。

【００６４】

【表３】

【００６５】

【表４】

【００６６】（４）セラミックス回路基板複合体の評価 得られたセラミックス回路基板複合体について、放熱部
品とセラミックス基板及びシリコンチップとＡｌ回路と
の接合状態を超音波探傷装置(ＳＡＴ)で観察し、直径１
ｍｍ以上の未接合部又は１面積％以上の未接合面積部が
確認できたものを接合不良とした。また、各試料は、−
４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室
温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルのヒー
トサイクルを行った後、外観を肉眼で観察して異常の有
無を確認し、再びＳＡＴで接合状態を調べた。それらの
結果を表５に示す。

【００６７】

【表５】

【００６８】実施例３〜９、比較例３〜８から明らかな
ように、本発明の回路基板複合体では、いずれも良好な
接合状態を示した。これに対して、比較例３〜８では、
窒化アルミニウム板を用いた場合に全て基板クラックが
発生し、窒化珪素基板と放熱部品を半田で接合した場合
には全て窒化珪素基板／放熱部品間の半田層にクラック
が発生したほか、Ｍｇを含まないろう材で接合したもの
については放熱部品とセラミックス基板との間の接合不
良品が多発している。また、実施例５を除く実施例で
は、簡易的な連続炉を用いたにも拘わらず、接合不良及
びシリコンチップ下の半田に半田クラックのない回路基
板複合体が得られている。

【００６９】

【発明の効果】本発明のセラミックス回路基板複合体
は、安価な銅製放熱部品を用いながらも、高価な複合材
を用いたモジュールと同等以上の信頼性を有し、しかも
放熱特性が優れている特徴があり、産業上非常に有用で
ある。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス回路基板を放熱部品にろう材
   を介して接合してなるセラミックス回路基板複合体であ
   って、前記ろう材の接合温度が５３０℃〜６４５℃であ
   ることを特徴とするセラミックス回路基板複合体。
2. 【請求項２】セラミックス回路基板を構成しているセラ
   ミックス基板が窒化珪素からなることを特徴とする請求
   項１記載のセラミックス回路基板複合体。
3. 【請求項３】前記ろう材がＡｌ−Ｚｎ合金、或いはＭｇ
   とＣｕ、Ｇｅ及びＳｉからなる群から選ばれる１種以上
   とを含有するＡｌ合金であることを特徴とする請求項１
   又は請求項２記載のセラミックス回路基板複合体。
4. 【請求項４】セラミックス回路基板の前記ろう材側の面
   に、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれかからな
   る金属層を設けていることを特徴とする請求項１、請求
   項２又は請求項３記載のセラミックス回路基板複合体。
5. 【請求項５】セラミックス回路基板の前記ろう材側とは
   反対側の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる回路を設けて
   いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又
   は請求項４記載のセラミックス回路基板複合体。
6. 【請求項６】放熱部品の表面がＣｕまたはＣｕ合金から
   なり、前記ＣｕまたはＣｕ合金からなる面の少なくとも
   セラミックス回路基板に接する部分に、Ｎｉを主成分と
   する層を設けていることを特徴とする請求項１、請求項
   ２、請求項３、請求項４又は請求項５記載のセラミック
   ス回路基板複合体。