JP2001291808A - 積層放熱部材、パワー半導体装置およびそれらの製造方法 - Google Patents

積層放熱部材、パワー半導体装置およびそれらの製造方法

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JP2001291808A JP2001018637A JP2001018637A JP2001291808A JP 2001291808 A JP2001291808 A JP 2001291808A JP 2001018637 A JP2001018637 A JP 2001018637A JP 2001018637 A JP2001018637 A JP 2001018637A JP 2001291808 A JP2001291808 A JP 2001291808A
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heat radiating
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Kiyoshi Araki
清 新木
Masahiro Kida
雅裕 來田
Takahiro Ishikawa
貴浩 石川
Hiroki Bessho
裕樹 別所
Takuma Makino
琢磨 牧野
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NGK Insulators Ltd
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    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷熱サイクルによる熱応力によってクラック
が発生せず、かつ熱抵抗の低い、積層放熱部材、およ
び、パワー半導体装置の提供。 【解決手段】 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放熱板および／または絶縁
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
セラミック粒子を放熱板と絶縁基板の間隙に載置させる
工程と、当該セラミック粒子の上および／または下にろ
う材を配置させる工程と、当該ろう材を当該ろう材の融
点より高い温度に加熱し溶融させる工程と、溶融させた
当該ろう材をセラミック粒子の間隙に浸透させ、当該ろ
う材と反応させ金属基複合材を製造する工程と、および
当該金属基複合材を介して放熱板と絶縁基板とを接合す
る工程、とを含む積層放熱部材の製造方法により製造さ
れうる、放熱板と、放熱板の上面に接合されている絶縁
基板と、前記絶縁基板の上面に設けられた電極とからな
る積層放熱部材により達成。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 この発明は、積層放熱部
材、パワー半導体装置及びそれらの製造方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】 従来から知られているパワー半導体装
置としては、例えば、図４に示したような主要部から構
成されるパワー半導体装置がある。図４において、１０
１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
を放熱するための金属ベース板、１０４は半導体チップ
１０２を金属ベース板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１０４の上面に設けられた第１の金属電極、１０
５ｂ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１０５ａ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１
０２と第１の金属電極１０５ａとを接着する第１の半
田、１０７ｂは金属ベース板１０３と第１の金属電極１
０５ｂ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
イヤー、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の金属ワイヤー、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。
【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。
【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、金属ベース板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１０４に接着する。そし
て、第１の金属ワイヤー１０８ａとなる金属ワイヤー
を、半導体チップ１０２にワイヤーボンディングにより
接続し、第２の金属ワイヤー１０８ｂとなる金属ワイヤ
ーを、第１の金属電極１０５ａとなる金属電極にワイヤ
ーボンディングにより接続する。
【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等が搭載された金属ベース板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１０４、第１の金属電極
１０５ａおよび第２の金属電極１０５ｂ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。
【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。
【０００７】 一方、絶縁基板と放熱板との接合に半田
を使用しない例としては、特開平１１−２６９５７７号
公報で提案されているように、ヒートシンク機能を付与
する金属基複合材を、セラミック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り形成する方法がある
が、この場合には、溶融金属をセラミック分散材に高圧
注入するために、高価な設備が必要となりコスト高にな
るという問題がある。また、溶融金属をセラミック分散
材に含浸させながら、反応させる場合も考えられるが、
この場合は、浸透速度が遅いといった問題が存在する。
この場合、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。しかしながら、低熱膨張の
絶縁基板と、高熱膨張の金属膜あるいは前記絶縁基板の
焼結助剤を含む化合物を介在させた金属膜との熱膨張差
に起因するクラックの発生を回避できないことがある。
【０００８】 ところで、金属製の放熱板を使用しない
例としては、例えば、金属セラミック複合体として知ら
れているアルミニウム−炭化珪素複合体等が挙げられ
る。前記複合体は、一般に、セラミック粒子、セラミッ
ク繊維、ウィスカーなどの成形体（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（まてりあ、第３
６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２−１
９７３６８号公報）等の各種の方法が知られている。
【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
程度の金属ベース板、半導体チップを金属ベース板から
絶縁するための窒化アルミニウム等からなる厚さ０．６
ｍｍ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０．４
ｍｍ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。
【００１０】 しかし、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。さらに、絶縁性のセラミック基板と
金属製のヒートシンク材とを活性金属法等でのろう材を
介して接合する際には、両材料間での熱膨張係数差が大
きいために接合時における熱応力に起因したクラックが
絶縁性のセラミック基板側に発生する。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半田付け接合
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、放熱性の妨げになる接合
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】 一方、異種部材同士の接合方法として
は、本願と同一出願人に係る特開平１１−２２８２４５
号公報に、セラミック製の微粒子と硬質ろう材からなる
熱応力を低下させることができる接着剤組成物の利用が
開示されているが、その目的とするところは、異種部材
同士を接合させてなる機密性を要する部材の作製時にお
ける、主として接合後の冷却操作中における接合強度の
低下防止、クラックの発生防止等を目的とするものであ
り、ヒートシンク、積層放熱部材、パワー半導体装置等
のような、冷却操作を伴う高温−低温が頻繁に繰り返さ
れるいわゆる厳しい熱サイクル下での接合部近傍での耐
剥離性、クラック発生防止効果などの使用環境での耐久
性の改善を示唆する開示はない。まして、放熱性を実質
的に低下させることなく、ヒートシンクの接合層、積層
放熱部材、パワー半導体装置として機能しうることを示
唆する記載もない。
【００１２】
【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
れたパワー半導体装置としての積層放熱部材、および同
積層放熱部材の製造方法を提供することを目的とするも
のである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】 本発明者らは、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
ク分散材とろう材とを使用して、金属基複合材を形成
し、この金属基複合材を介して絶縁基板と放熱板を接合
することにより、絶縁基板と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
に優れた積層放熱部材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。
【００１４】 すなわち、本発明によれば、第１に、放
熱板と、放熱板の上面に接合されている絶縁基板と、上
記絶縁基板の上面に設けられた電極とからなる積層放熱
部材であって、上記放熱板と上記絶縁基板が、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積層放熱部材が提供される。さら
に、前記金属基複合材層が、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接合面を表面
処理されていてもよい放熱板と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接合面を表
面処理されていてもよい絶縁基板との間隙にて、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ることを特徴とす
る、積層放熱部材が提供される。
【００１５】 また、前記金属基複合材層が、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さらに
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＨｆからなる群から選ば
れた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、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、および絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に設けられ
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積層放熱部
材が提供される。
【００１６】 さらに、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。
【００１７】 また、本発明によれば、第３に、放熱板
と、放熱板の上面に接合されている絶縁基板と、上記絶
縁基板の上面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放熱板および／または
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放熱板と絶縁基板の間隙に載置さ
せる工程と、当該セラミック粒子の上および／または下
にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を当該ろう材
の融点より高い温度に加熱し溶融させる工程と、溶融さ
せた当該ろう材をセラミック粒子の間隙に浸透させ、当
該ろう材と反応させ金属基複合材を製造する工程と、お
よび当該金属基複合材を介して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。
【００１８】 さらに、セラミック粒子および／または
絶縁基板および／または放熱板への、濡れ性確保のため
の表面処理が、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、Ｃ
ＶＤ、またはＰＶＤのいずれか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、放熱板と、放熱板の
上面に接合されている絶縁基板と、上記絶縁基板の上面
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、セラミック粒子を放熱板と絶縁基板の間隙に載置
させる工程と、当該セラミック粒子の上および／または
下にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＨｆからなる群から
選ばれた活性金属を含有したろう材を配置させる工程
と、当該ろう材を当該ろう材の融点より高い温度に加熱
し溶融させる工程と、溶融させた当該ろう材をセラミッ
ク粒子の間隙に浸透させ、当該ろう材と反応させ金属基
複合材を製造する工程と、および当該金属基複合材を介
して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。
【００１９】 さらにまた、放熱板と、放熱板の上面に
接合されている絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設け
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、ＴａおよびＨｆからなる群から選ば
れた活性金属粉末とセラミック粒子を放熱板と絶縁基板
の間隙に載置させる工程と、当該セラミック粒子の上お
よび／または下にろう材を配置させる工程と、当該ろう
材を当該ろう材の融点より高い温度に加熱し溶融させる
工程と、溶融させた当該ろう材をセラミック粒子の間隙
に浸透させ、当該ろう材と反応させ金属基複合材を製造
する工程と、および当該金属基複合材を介して放熱板と
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。
【００２０】 加えて、放熱板と、放熱板の上面に接合
されている絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設けられ
た電極とからなる積層放熱部材の製造法であって、絶縁
基板を凝固型内に設置する工程と、セラミック粒子を絶
縁基板の一方の面に載置させる工程と、凝固型に溶融金
属を流し込み、当該セラミック粒子に溶融金属を含浸さ
せ、含浸と同時にセラミック粒子が存在しない部分まで
溶融金属を流し込む工程と、溶融金属を凝固させセラミ
ック粒子が存在しない部分で放熱板を形成する工程、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、金属基複合材を介して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。
【００２１】 また、金属基複合材を介して接合された
放熱板と絶縁基板に対し、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、金属基複合材を介して接合された放熱板と絶縁基
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形成する工程をさらに含む
こと特徴とする、積層放熱部材の製造方法、前記低い温
度で電極を形成する工程が、無電解メッキ法、メッキ
法、ＣＶＤ、ＰＶＤ法、または、溶射法のいずれか、も
しくは、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が提供される。
【００２２】 さらに、本発明によれば、第４に、放熱
板と、放熱板の上面に接合されている絶縁基板と、上記
絶縁基板の上面に設けられた電極とからなり、前記放熱
板と前記絶縁基板とは、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
設ける工程、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
が上記の第３の側面として記載のいずれかの方法で作製
されたもの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。
【００２３】 上記の本発明に従えば、絶縁基板と放熱
板との接合は、上記の如く金属基複合材層を介して行わ
れる。即ち、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放熱板および／または絶縁基
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
ラミック粒子を放熱板と絶縁基板の間隙に載置させる工
程と、当該セラミック粒子の上および／または下にろう
材を配置させる工程と、当該ろう材を当該ろう材の融点
より高い温度に加熱し溶融させる工程と、溶融させた当
該ろう材をセラミック粒子の間隙に浸透させ、当該ろう
材と反応させることにより製造される、熱抵抗が低く、
放熱性の高い金属基複合材層を接合層として形成し、こ
の金属基複合材層を介して放熱板を接合させることによ
り、所望とする熱伝導性、熱サイクル特性に優れた積層
放熱部材およびパワー半導体装置を得ることができる。
【００２４】
【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、
金属基複合材層とは、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
なセラミック粒子とろう材とを溶融混合することにより
製造され得る複合部材からなる層をいう。
【００２５】 本発明に係るパワー半導体装置としての
積層放熱部材は、所望により予めメッキ処理されていて
もよい放熱板のメッキ面に、同じく予めメッキ処理され
たセラミック製分散材、例えば、Ｎｉ−Ｂメッキが施さ
れた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、ろう材、例え
ば、アルミろう材であるＢＡ４００４（Ａｌ−１０Ｓｉ
−１．５Ｍｇ）シートを戴置し、その上に、両面にメッ
キ処理が施された絶縁基板を載置し、更にその上面に、
予めメッキ処理されたセラミック分散材、例えば、上記
Ｎｉ−Ｂメッキが施された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
面にろう材、例えば、アルミろう材であるＢＡ４００４
（Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ）シートを戴置し、次い
で、更にその上面に回路形成用の薄い銅板を戴置する。
次いで、真空下、所定の温度で加熱処理して各部材を金
属基複合材層を介して接合することにより、製造するこ
とができる。
【００２６】 本発明においては、絶縁基板としては、
厚さ０．１〜２ｍｍのセラミック製の基板、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特開２００１−１０８６５公報に
開示の窒化珪素が好適に使用される。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からなる分散材としては、粒子径５
〜２００μｍ、より望ましくは１０〜５０μｍの粒径の
ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3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、例えば、耐熱性の容器
に収納した絶縁基板上に均一に敷詰めて使用する。
【００２７】 勿論、絶縁基板と放熱板との接合に際し
ては、接合層を形成するために、セラミック分散材と共
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使用する。
放熱板と絶縁基板との間には上記ろう材を上記セラミッ
ク分散材の粒子上および／または下に載置したものを挟
み、これを溶融して接合層となる金属基複合材を形成す
る。通常は、このろう材を耐熱性の容器に収納した放熱
板上に均一に敷詰められたセラミック分散材上に載置
し、更に絶縁基板を搭載し、これを加熱、溶融させて該
セラミック分散材の間隙に浸透させて、凝固させること
により、目的とする接合層、すなわち、金属基複合材を
形成する。この際、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５０〜１００℃高
い温度まで昇温することにより行うのが好ましい。上記
金属または合金の流入による接合層の形成は、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。
【００２８】 この際、絶縁基板、放熱板あるいはセラ
ミック粒子である分散材の表面処理としては、無電解メ
ッキ法、メッキ法、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＶＤ（物
理蒸着法）等によりＮｉ、Ｃｕ、Ｐｄ等の層をセラミッ
ク分散材の表面に形成すればよい。なお、ＰＶＤには、
具体的には、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレー
ティング等の方法があり、この中の何れを採用してもよ
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
０．５μｍ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。
【００２９】 前記の濡れ性確保にはろう材からなる金
属溶湯中にＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒ等の活性金属
を添加し、絶縁基板、セラミック分散材の表面に、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、セラミック分散材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、セラミック分散材の表面に前
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。
【００３０】 セラミック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、メッキ、ＣＶ
Ｄ、スパッタリング、真空蒸着またはイオンプレーティ
ング等のＰＤＶ法等により表面処理されたものを使用す
るには、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
ク分散材／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
間にて当該金属基複合材を形成することが可能となる。
【００３１】 また、セラミック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るに際して、活性金属
を利用する場合には、活性金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、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
分散材がＳｉＣ、溶融金属がＣｕ−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。
【００３２】 放熱板としては、通常、パワー半導体装
置用に使用される銅、アルミニウム、銀等の金属製板や
Ｃｕ−Ｂｅ等の合金、あるいはＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｓｉ
Ｃ等の複合材製の板が好適に使用される。複合材製の放
熱板の接合に際しては、セラミック粒子からなる分散材
などと同様に上記の方法により、表面処理したものを使
用することが好ましい。放熱板の仕様については、特に
なく、他のパワー半導体装置用に使用されるものと同様
であれば、特に問題なく使用できる。上記以外のその他
の各種部材については、当然のことながら、通常、パワ
ー半導体装置用に使用されるものであれば、問題なく使
用できる。
【００３３】 なお、本発明においては、電極は、例え
ば実施例１等と同様に、放熱板と絶縁基板との接合の際
に同時に形成することができ、あるいは、別途形成して
もよい。別途形成する場合は、前記放熱板と前記絶縁基
板との接合温度より低温で溶融するろう材を用いてろう
接合できる。この際、前記放熱板と前記絶縁基板との接
合と同様に金属基複合材層を介して接合してもよい。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。
【００３４】
【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。
【００３５】 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。
【００３６】（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。
【００３７】（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をＡｇ
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１の場
合を１．０とした相対評価を行った。
【００３８】（実施例１） （Ｎｉメッキ法／上部電極同時接合）絶縁基板として
は、市販の窒化珪素粉体にＹ2Ｏ3、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の窒化珪素製絶縁基板を作製した。これと
は別に、特開平１１−２９３７９号公報に記載の方法に
より、２５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、Ｃｕ−Ｓｉ
Ｃ複合材（８０×５０×３ｔｍｍ）からなる放熱板を作
製した。
【００３９】 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、粉体粒子
表面に約０．５μｍ厚みのＮｉ−Ｂメッキを施した。一
方、前記窒化珪素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。前記Ｃｕ−ＳｉＣ放熱板の
片面上にも、約１μｍ厚みで無電解Ｎｉ−Ｂメッキを施
した。前記Ｃｕ−ＳｉＣ放熱板のＮｉ−Ｂメッキ面に、
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−１０
Ｓｉ−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。さら
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（ＢＡ４００
４：Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ）を戴置した。次い
で、更にその上面に０．３ｍｍ厚の銅板を戴置した。
【００４０】 次いで、０．００１３３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（積層放熱部材）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、ＳｉＣ／アルミろうの複合材層を介して接合
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、ＳｉＣ／アルミろうの複合材層を介して接
合された積層放熱部材が得られた。
【００４１】 次いで、かくして得られた積層放熱部材
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、積
層放熱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メッキを施して積層放熱部材を
作製した。
【００４２】（実施例２） （Ｎｉメッキ法／上部電極同時接合）Ｃｕ−ＳｉＣ複合
材（８０×５０×３ｍｍ：放熱板）を作製する代わりに
３９０Ｗ／ｍＫの熱伝導を有する市販の純銅板（純銅組
成の無酸素銅ないしはタフピッチ銅、８０×５０×３ｍ
ｍ：放熱板）を用意し、市販のＳｉＣ粒子（平均粒径５
０μｍ）を使用する代わりに市販のＡｌ2Ｏ3粉体（平均
粒径４０μｍ）を使用する以外は、実施例１と同様に積
層放熱部材を作製した。
【００４３】（実施例３） （粉末活性金属法／上部電極同時接合）市販の窒化珪素
粉体にＹ2Ｏ3、ＭｇＯを焼結助剤として添加し、所定温
度で所定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３９０Ｗ／ｍＫの熱
伝導を有する市販の純銅板（純銅組成の無酸素銅ないし
はタフピッチ銅、８０×５０×３ｍｍ：放熱板）を用意
した。一方、ＡｌＮ粉砕粉（平均粒径５０μｍ）とＴｉ
粉末（平均粒径４４μｍ）とを混合したものを載置し、
圧力をかけて厚みを薄くし、粒子の充填率を向上させ、
前記放熱板の上面に設置し、その上面に市販の銀ろう材
シート（ＢＡｇ−８：Ａｇ−２８Ｃｕ）を戴置し、更に
その上面に前記窒化珪素製絶縁基板を戴置した。更にそ
の上面に、ＡｌＮ粉砕粉（平均粒径５０μｍ）とＴｉ粉
末とを混合したものを載置し、圧力をかけて厚みを薄く
し、粒子の充填率を向上させ、更にその上面に市販の銀
ろう材シート（ＢＡｇ−８：Ａｇ−２８Ｃｕ）を戴置し
た。次いで、更にその上面に０．３ｍｍ厚の銅板を戴置
した。
【００４４】 次いで、０．００１３３パスカルの真空
下、８００度で３分間保持した後、徐冷して接合体（積
層放熱部材）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、ＡｌＮ／銀ろうの複合材層
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、ＡｌＮ／銀ろうの複合材層を
介して接合された積層放熱部材が得られた。
【００４５】 次いで、この積層放熱部材の全面に回路
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、積層放熱部材の
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メッキを施して積層放熱部材を作製した。
【００４６】（実施例４） （固溶活性金属法／上部電極同時接合）市販の窒化珪素
粉体にＹ2Ｏ3、ＭｇＯを焼結助剤として添加し、所定温
度で所定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３９０Ｗ／ｍＫの熱
伝導を有する市販の純銅板（純銅組成の無酸素銅ないし
はタフピッチ銅、８０×５０×３ｔｍｍ：放熱板）を用
意した。一方、市販のＳｉＣ粒子（平均粒径５０μｍ）
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、前記放熱板の上面に設置し、その上面にＣｕ
−Ｔｉろう材（Ｃｕ−１５Ｔｉ）シートを戴置し、更に
その上面に前記窒化珪素製絶縁基板を戴置した。更にそ
の上面に、市販のＳｉＣ粒子（平均粒径５０μｍ）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、更にその上面にＣｕ−Ｔｉろう材（Ｃｕ−１５Ｔ
ｉ）シートを戴置した。次いで、更にその上面に０．３
ｍｍ厚の銅板を戴置した。
【００４７】 次いで、０．００１３３パスカルの真空
下、１０００℃で３０分間保持した後、徐冷して接合体
（積層放熱部材）を作製した。接合体は、純銅放熱板と
窒化珪素絶縁基板とが、ＳｉＣ／Ｃｕ−Ｔｉろうの複合
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、ＳｉＣ／Ｃｕ−Ｔｉろう
の複合材層を介して接合された積層放熱部材が得られ
た。
【００４８】 次いで、この積層放熱部材の全面に回路
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、積層放熱部材の
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メッキを施して積層放熱部材を作製した。
【００４９】（実施例５） （Ｎｉメッキ法／上部電極同時接合）市販の窒化アルミ
ニウム粉体にＹ2Ｏ3を焼結助剤として添加し、所定温度
で所定時間焼成することにより、１８０Ｗ／ｍＫの熱伝
導率を有する、５０×４０×０．６３５ｔｍｍの窒化ア
ルミニウム製絶縁基板を作製した以外は実施例１と同様
にサンプルを作製した。
【００５０】（実施例６） （放熱板との接合ろう材より低い融点のろう材による上
部電極の作製）市販の窒化珪素粉体にＹ2Ｏ3、ＭｇＯを
焼結助剤として添加し、所定温度で所定時間焼成するこ
とにより、９０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、５０×４
０×０．３ｔｍｍの窒化珪素製絶縁基板を作製した。こ
れとは別に、特開平１１−２９３７９号公報に記載の方
法により２５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するＣｕ−Ｓｉ
Ｃ複合材 (８０×５０×３ｔｍｍ：放熱板）を作製し
た。
【００５１】 これとは別に、市販のＳｉＣ粒子（平均
粒径５０μｍ）に湿式無電解メッキにより、粉体粒子表
面に約０．５μｍ厚みのＮｉ−Ｂメッキを施した。一
方、前記窒化珪素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。また、前記Ｃｕ−ＳｉＣ複
合材放熱板の片面にも約１μｍ厚みで無電解Ｎｉ−Ｂメ
ッキを施した。前記放熱板のＮｉ−Ｂメッキ面に、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
銀ろう材シート（ＢＡｇ−８：Ａｇ−２８Ｃｕ）を戴置
し、更にその上面に前記片面Ｎｉ−Ｂメッキを施した窒
化珪素製絶縁基板をＮｉ−Ｂメッキ面がろう材シートに
接する状態で戴置した。
【００５２】 次いで、０．００１３３パスカルの真空
下、８００度で３分間保持した後、徐冷して接合体（積
層放熱部材）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、ＳｉＣ／銀ろうの複合材層
を介して接合された積層放熱部材が得られた。次いで、
積層放熱部材の窒化珪素絶縁基板上に、市販の１２０μ
ｍ厚みのアルミろう材（ＢＡ４００４：Ａｌ−１０Ｓｉ
−１．５Ｍｇ）シートを載置し、その上に０．３ｍｍ厚
の銅板を設置した状態で、真空下７００℃で３分間熱処
理を行うことにより、複合接合部材を得た。
【００５３】 次いで、この積層放熱部材の全面に回路
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、積層放熱部材の
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メッキを施して積層放熱部材を作製した。
【００５４】（実施例７） （放熱板との接合ろう材より低い融点の複合ろう材によ
る上部電極の作製）窒化珪素絶縁基板の両面に約１μｍ
厚みの無電解Ｎｉ−Ｂメッキを施した以外は、実施例６
と同様の方法で、Ｃｕ−ＳｉＣ放熱板と窒化珪素絶縁基
板とがＳｉＣ／銀ろうの複合材層を介して接合されてい
る接合体（積層放熱部材）を作製した。
【００５５】 積層放熱部材における約１μｍ厚みの無
電解Ｎｉ−Ｂメッキが施されている窒化珪素絶縁基板表
面に、前記Ｎｉ−Ｂメッキを施したＳｉＣ粒子粉体を載
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、その上面に市販のアルミろう材シート（ＢＡ４０
０４：Ａｌ−１０Ｓｉ−１．５Ｍｇ）を戴置し、更にそ
の上面に０．３ｍｍ厚の銅板を戴置した。
【００５６】 次いで、０．００１３３パスカルの真空
下、７００℃で３分間保持した後、徐冷して接合体（積
層放熱部材）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、ＳｉＣ／銀ろうの複合材層
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厚の銅板とは、ＳｉＣ／アルミろうの複合材
層を介して接合された積層放熱部材が得られた。
【００５７】 次いで、この積層放熱部材の全面に回路
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、積層放熱部材の
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メッキを施して積層放熱部材を作製した。
【００５８】（実施例８） （活性金属法／Ｃｕ鋳込み）市販の窒化珪素粉体にＹ2
Ｏ3、ＭｇＯを焼結助剤として添加し、所定温度で所定
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、市販のＳｉＣ粒子（平均粒
径５０μｍ）と市販のＴｉ粉体（平均粒径４４μｍ）を
混合した粉末に圧力をかけて厚みを薄くし、粒子の充填
率を向上させたものを、前記放熱板の上面に設置した。
これを図３に示す様な鋳型に設置し、１１００℃に昇温
後、銅の溶湯を鋳込んで、冷却し積層放熱部材を得た。
【００５９】 この積層放熱部材は、８０×５０×３ｍ
ｍ程度の銅放熱板と前記窒化珪素絶縁基板とが、ＳｉＣ
／銅の複合材層を介して接合されていた。次いで、積層
放熱部材の窒化珪素絶縁基板上に、市販のＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉろう材（Ａｇ−３５Ｃｕ−１．７Ｔｉ）ペーストを
所定の厚みで印刷し、その上に０．３ｍｍ厚の銅板を設
置した状態で、０．００１３３パスカルの真空下、８５
０℃で１０分間熱処理を行うことにより、複合接合部材
を得た。
【００６０】 次いで、この積層放熱部材の全面に回路
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、積層放熱部材の
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メッキを施して積層放熱部材を作製した。
【００６１】（実施例９および１０） （メッキ、溶射）市販の窒化珪素粉体にＹ2Ｏ3、ＭｇＯ
を焼結助剤として添加し、所定温度で所定時間焼成する
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１１−２９３７９号公報に開示の
方法に基づき２５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するＣｕ−
ＳｉＣ複合材（８０×５０×３ｍｍ：放熱板）を作製し
た。
【００６２】 これとは別に、市販のＳｉＣ粒子（平均
粒径５０μｍ）に湿式無電解メッキにより、粉体粒子表
面に約０．５μｍ厚みのＮｉ−Ｂメッキを施した。一
方、前記窒化珪素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。また、前記Ｃｕ−ＳｉＣ複
合材放熱板の片面にも約１μｍ厚みで無電解Ｎｉ−Ｂメ
ッキを施した。前記放熱板のＮｉ−Ｂメッキ面に、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、更にその上面に前記片面Ｎｉ−
Ｂメッキした窒化珪素製絶縁基板をＮｉ−Ｂメッキ面が
ろう材シートに接する状態で戴置した。
【００６３】 次いで、０．００１３３パスカルの真空
下、７００℃で３分間保持した後、徐冷して接合体（積
層放熱部材）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、ＳｉＣ／アルミろうの複合
材層を介して接合されていた。
【００６４】 次いで、窒化珪素絶縁基板上に、マスキ
ングを行い１００℃以下で湿式無電解銅メッキを行い、
銅回路パターンを形成した。このものを実施例９のサン
プルとした。また、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Ａｌ
−Ｓｉ層を溶射後、Ｃｕを０．３ｍｍ程度の厚みにＨＶ
ＯＦ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。このものを
実施例１０のサンプルとした。
【００６５】（比較例１）窒化珪素粉体にＹ2Ｏ3、Ｍｇ
Ｏを焼結助剤として添加し、所定温度で所定時間焼成す
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−３５
Ｃｕ−１．７Ｔｉ）ペーストを所定の厚みで印刷し、そ
こに０．３ｍｍ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、加
熱処理を行うことにより、複合接合体を得た。
【００６６】 次いで、複合接合体の一方の面に回路形
成用レジストを印刷し、硬化した後、塩化第２銅水溶液
で銅をエッチングし、回路パターンを形成した。更に回
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、更に数回水洗した。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。次いで、回路基板の回路を形成していない面と、特
開平１１−２９３７９号公報に開示の方法に基づき作製
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。
【００６７】（比較例２） （放熱板／ろう／基板／ろう／回路）市販の窒化珪素粉
体にＹ2Ｏ3、ＭｇＯを焼結助剤として添加し、所定温度
で所定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１１−２９３
７９号公報に開示の方法に基づき２５０Ｗ／ｍＫの熱伝
導率を有するＣｕ−ＳｉＣ複合材（８０×５０×３ｍ
ｍ：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（Ａｇ−３５Ｃｕ−１．７Ｔｉ）
ペーストを所定の厚みで印刷し、更にその上部に前記窒
化珪素製絶縁基板を戴置した。更にその上面に、市販の
Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう（Ａｇ−３５Ｃｕ−１．７Ｔｉ）
ペーストを所定の厚みで印刷し、更にその上面に０．３
ｍｍ厚の銅板を戴置した。
【００６８】 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
（積層放熱部材）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、この積層放熱部材
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、積
層放熱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メッキを施して積層放熱部材を
作製した。
【００６９】（比較例３）市販の窒化アルミニウム粉体
にＹ2Ｏ3を焼結助剤として添加し、所定温度で所定時間
焼成することにより、１８０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有す
る、５０×４０×０．６３５ｔの窒化アルミニウム製絶
縁基板を作製した以外は比較例２と同様にサンプルを作
製した。
【００７０】 かくして得られたサンプルを使用して、
熱サイクル特性試験、および熱抵抗試験に供した。その
結果を表１に示す。なお、熱抵抗試験の結果は、比較例
１の値を１．０とした相対値で示した。
【００７１】
【表１】
【００７２】（実施例１１）実施例１で作製した積層放
熱部材の回路電極に、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
が搭載された積層放熱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
シリコンゲルを注入、硬化し、前記ＩＧＢＴ素子が搭載
された積層放熱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。
【００７３】
【発明の効果】 本発明に係る積層放熱部材およびパワ
ー半導体装置は、上述のごとく、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放熱板お
よび／または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放熱板と絶縁基板の
間隙に載置させる工程と、当該セラミック粒子の上およ
び／または下にろう材を配置させる工程と、当該ろう材
を当該ろう材の融点より高い温度に加熱し溶融させる工
程と、溶融させた当該ろう材をセラミック粒子の間隙に
浸透させ、当該ろう材と反応させることにより製造され
る、熱抵抗が低く、放熱性の高い金属基複合材層を介し
て、放熱板と接合しているので、絶縁基板と金属基複合
材と放熱板の間の熱膨張率の差異に起因するクラックの
発生も実質的になく、熱伝導性、熱サイクル特性に優れ
た部材および装置であり、また、上述のごとき本発明に
係る製造方法によれば、上述のごとき特質を有する積層
放熱部材およびパワー半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 試験に使用した水冷モジュールの模式図であ
る。
【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。
【図３】 本発明に係るパワー半導体装置の製造例に使
用した鋳型の断面図である。
【図４】 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。
【符号の説明】 １…回路電極、２…接合層（金属基複合材）、３…絶縁
基板、４…放熱板、５…セラミック粒子と活性金属の混
合物、６…鋳型、７…半田、８…半導体チップ、９…金
属ワイヤー、１１…ヒータ、１２…モジュール、１３…
流路、１４…ポンプ付きウォーターバス、１５…流量
計。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 貴浩 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） 5F036 AA01 BB08 BC06 BD01 BD13 BE01

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放熱板と、放熱板の上面に接合されてい
    る絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設けられた電極と
    からなる積層放熱部材であって、上記放熱板と上記絶縁
    基板が、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積層放熱部材。
  2. 【請求項２】 前記金属基複合材層が、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接
    合面を表面処理されていてもよい放熱板と所望によりろ
    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
    接合面を表面処理されていてもよい絶縁基板との間隙に
    て、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ること
    を特徴とする、請求項１に記載の積層放熱部材。
  3. 【請求項３】 前記金属基複合材層が、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さらにＴｉ、
    Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＨｆからなる群から選ばれた活
    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
    ておいて製造される金属基複合材層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。
  4. 【請求項４】 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。
  5. 【請求項５】 絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に設け
    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、請求
    項１〜４のいずれか１項に記載の積層放熱部材。
  6. 【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。
  7. 【請求項７】 放熱板と、放熱板の上面に接合されてい
    る絶縁基板と、上記絶縁基板の上面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
    放熱板および／または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放熱板と絶
    縁基板の間隙に載置させる工程と、当該セラミック粒子
    の上および／または下にろう材を配置させる工程と、当
    該ろう材を当該ろう材の融点より高い温度に加熱し溶融
    させる工程と、溶融させた当該ろう材をセラミック粒子
    の間隙に浸透させ、当該ろう材と反応させ金属基複合材
    を製造する工程と、および当該金属基複合材を介して放
    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。
  8. 【請求項８】 セラミック粒子および／または絶縁基板
    および／または放熱板への、濡れ性確保のための表面処
    理が、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、ＣＶＤ、ま
    たはＰＶＤのいずれか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。
  9. 【請求項９】 放熱板と、放熱板の上面に接合されてい
    る絶縁基板と、上記絶縁基板の上面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
    子を放熱板と絶縁基板の間隙に載置させる工程と、当該
    セラミック粒子の上および／または下にＴｉ、Ｚｒ、Ｎ
    ｂ、ＴａおよびＨｆからなる群から選ばれた活性金属を
    含有したろう材を配置させる工程と、当該ろう材を当該
    ろう材の融点より高い温度に加熱し溶融させる工程と、
    溶融させた当該ろう材をセラミック粒子の間隙に浸透さ
    せ、当該ろう材と反応させ金属基複合材を製造する工程
    と、および当該金属基複合材を介して放熱板と絶縁基板
    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。
  10. 【請求項１０】 放熱板と、放熱板の上面に接合されて
    いる絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設けられた電極
    とからなる積層放熱部材の製造法であって、Ｔｉ、Ｚ
    ｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＨｆからなる群から選ばれた活性
    金属粉末とセラミック粒子を放熱板と絶縁基板の間隙に
    載置させる工程と、当該セラミック粒子の上および／ま
    たは下にろう材を配置させる工程と、当該ろう材を当該
    ろう材の融点より高い温度に加熱し溶融させる工程と、
    溶融させた当該ろう材をセラミック粒子の間隙に浸透さ
    せ、当該ろう材と反応させ金属基複合材を製造する工程
    と、および当該金属基複合材を介して放熱板と絶縁基板
    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。
  11. 【請求項１１】 放熱板と、放熱板の上面に接合されて
    いる絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設けられた電極
    とからなる積層放熱部材の製造法であって、絶縁基板を
    凝固型内に設置する工程と、セラミック粒子を絶縁基板
    の一方の面に載置させる工程と、凝固型に溶融金属を流
    し込み、当該セラミック粒子に溶融金属を含浸させ、含
    浸と同時にセラミック粒子が存在しない部分まで溶融金
    属を流し込む工程と、溶融金属を凝固させセラミック粒
    子が存在しない部分で放熱板を形成する工程、とを含む
    ことを特徴とする積層放熱部材の製造方法。
  12. 【請求項１２】 金属基複合材を介して放熱板と絶縁基
    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。
  13. 【請求項１３】 金属基複合材を介して接合された放熱
    板と絶縁基板に対し、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。
  14. 【請求項１４】 金属基複合材を介して接合された放熱
    板と絶縁基板に対し、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形成する工程を
    さらに含むことを特徴とする、請求項７〜１３のいずれ
    か１項に記載の積層放熱部材の製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記低い温度で電極を形成する工程
    が、無電解メッキ法、メッキ法、ＣＶＤ、ＰＶＤまたは
    溶射法のいずれか、もしくは、それらの組み合わせであ
    ることを特徴とする請求項１４に記載の積層放熱部材の
    製造方法。
  16. 【請求項１６】 放熱板と、放熱板の上面に接合されて
    いる絶縁基板と、上記絶縁基板の上面に設けられた電極
    とからなり、前記放熱板と前記絶縁基板とは、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設ける工程、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。
  17. 【請求項１７】 前記積層放熱部材が上記請求項７〜１
    ５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１６に記載のパワー半導体装置
    の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7298039B2 (en) 2003-08-08 2007-11-20 Hitachi, Ltd. Electronic circuit device
JP2009004666A (ja) * 2007-06-25 2009-01-08 Hitachi Ltd パワー半導体モジュールおよびその製造方法

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US7298039B2 (en) 2003-08-08 2007-11-20 Hitachi, Ltd. Electronic circuit device
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