JP2002353389A - 窒化ケイ素回路基板およびその製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素回路基板およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 はんだ付けの信頼性に劣る課題、はんだ付け
により熱抵抗が増加する課題および製造コストを高めて
しまう課題を解決し、熱サイクル寿命が長く安価に大量
に製造できる、Ｃｕ−ＳｉＣ、複合材料からなる放熱部
材を具備する窒化ケイ素回路基板を提供する。 【解決手段】 窒化ケイ素回路基板とＳｉＣ粉末で形成
された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォー
ムに溶融したＣｕを含浸することにより、両者を一体に
金属的接合してなる。さらに、含浸したＣｕにより、窒
化ケイ素基板表面にＣｕ回路を形成する。
により熱抵抗が増加する課題および製造コストを高めて
しまう課題を解決し、熱サイクル寿命が長く安価に大量
に製造できる、Ｃｕ−ＳｉＣ、複合材料からなる放熱部
材を具備する窒化ケイ素回路基板を提供する。 【解決手段】 窒化ケイ素回路基板とＳｉＣ粉末で形成
された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォー
ムに溶融したＣｕを含浸することにより、両者を一体に
金属的接合してなる。さらに、含浸したＣｕにより、窒
化ケイ素基板表面にＣｕ回路を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｃｕ−ＳｉＣ系複
合材料からなる放熱部材を具備する窒化ケイ素回路基板
に関する。
合材料からなる放熱部材を具備する窒化ケイ素回路基板
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、産業機器の分野では、半導体スイ
ッチングデバイスを用いて大電力を最適な電力に効率よ
く交換制御する大電力モジュールの開発が進んでおり、
例えば電動車輌用インバータとして高電圧、大電流動作
が可能なＩＧＢＴモジュールが用いられている。このよ
うな大電力モジュール化に伴い、半導体チップから発生
する熱も増大している。大電力モジュール回路基板では
この熱を効率よく放散させるために様々な構造を採って
きた。
ッチングデバイスを用いて大電力を最適な電力に効率よ
く交換制御する大電力モジュールの開発が進んでおり、
例えば電動車輌用インバータとして高電圧、大電流動作
が可能なＩＧＢＴモジュールが用いられている。このよ
うな大電力モジュール化に伴い、半導体チップから発生
する熱も増大している。大電力モジュール回路基板では
この熱を効率よく放散させるために様々な構造を採って
きた。
【０００３】この種の回路基板として、良好な熱伝導性
を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミッ
クス基板上に銅（Ｃｕ）板を接合し、回路を形成した
後、めっきを施して半導体チップを実装したものがあ
る。ＡｌＮ基板とＣｕ板との接合は、両者の間に活性金
属を含むろう材を介在させ加熱処理して接合する活性金
属ろう付け法や、表面が酸化処理されたＡｌＮ基板とＣ
ｕ板をＣｕの融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法等がある。このＣｕ回路を接合した基
板では、Ｃｕ回路とその表面にはんだでダイボンディン
グされたシリコン半導体チップとの熱膨張差が大きいた
め、回路の作動中に繰り返し与えられる熱応力によりチ
ップ直下ではんだにクラックが生じやすい。また、Ｃｕ
回路とＡｌＮ基板の熱膨張差が大きいため、その接合部
に剥離が生じたり、ＡｌＮにクラックが発生する問題が
あり、著しく実装信頼性に劣るといった難点があった。
を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミッ
クス基板上に銅（Ｃｕ）板を接合し、回路を形成した
後、めっきを施して半導体チップを実装したものがあ
る。ＡｌＮ基板とＣｕ板との接合は、両者の間に活性金
属を含むろう材を介在させ加熱処理して接合する活性金
属ろう付け法や、表面が酸化処理されたＡｌＮ基板とＣ
ｕ板をＣｕの融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法等がある。このＣｕ回路を接合した基
板では、Ｃｕ回路とその表面にはんだでダイボンディン
グされたシリコン半導体チップとの熱膨張差が大きいた
め、回路の作動中に繰り返し与えられる熱応力によりチ
ップ直下ではんだにクラックが生じやすい。また、Ｃｕ
回路とＡｌＮ基板の熱膨張差が大きいため、その接合部
に剥離が生じたり、ＡｌＮにクラックが発生する問題が
あり、著しく実装信頼性に劣るといった難点があった。
【０００４】これに代わり、ＡｌＮ基板の両面にアルミ
ニウム（Ａｌ）板を真空ろう付けしたＡｌ回路基板が採
用されている。回路部をＣｕに替えＡｌにしたＡｌ回路
基板では、Ａｌの変形抵抗がＣｕより小さいため、回路
とＡｌＮの接合部に働く応力を低く抑えることができ
る。また、シリコン半導体チップとのダイボンディング
部では、Ａｌが塑性変形することにより回路表面の膨張
量がＡｌＮのそれに近くなり、はんだに加わる応力を低
減できる。したがって、Ａｌ回路とＡｌＮ基板との接合
部が剥離しにくく接合信頼性の高いものが得られる。ま
た、Ａｌの比重2.7g/cm３はＣｕの比重8.9g/cm３と比較
して約１／３程度のため回路基板の重量をこれまでの半
分以下に軽量化できるメリットもある。
ニウム（Ａｌ）板を真空ろう付けしたＡｌ回路基板が採
用されている。回路部をＣｕに替えＡｌにしたＡｌ回路
基板では、Ａｌの変形抵抗がＣｕより小さいため、回路
とＡｌＮの接合部に働く応力を低く抑えることができ
る。また、シリコン半導体チップとのダイボンディング
部では、Ａｌが塑性変形することにより回路表面の膨張
量がＡｌＮのそれに近くなり、はんだに加わる応力を低
減できる。したがって、Ａｌ回路とＡｌＮ基板との接合
部が剥離しにくく接合信頼性の高いものが得られる。ま
た、Ａｌの比重2.7g/cm３はＣｕの比重8.9g/cm３と比較
して約１／３程度のため回路基板の重量をこれまでの半
分以下に軽量化できるメリットもある。
【０００５】前述したように、セラミックス回路基板の
回路部にＡｌを用いることで、このＡｌ回路板とセラミ
ックス基板との接合信頼性を大幅に改善できるが、その
一方でＡｌの比抵抗2.66×10−６ΩcmはＣｕの比抵抗1.
67×10−６Ωcmより約１．６倍大きく、高耐圧・大電流
を負荷することができず、電気容量の使用範囲に制約が
あるといった問題がある。
回路部にＡｌを用いることで、このＡｌ回路板とセラミ
ックス基板との接合信頼性を大幅に改善できるが、その
一方でＡｌの比抵抗2.66×10−６ΩcmはＣｕの比抵抗1.
67×10−６Ωcmより約１．６倍大きく、高耐圧・大電流
を負荷することができず、電気容量の使用範囲に制約が
あるといった問題がある。
【０００６】これらの回路基板に接合して用いられる放
熱板材料として、特公平７−２６１７４号、特開昭６４
−８３６３４号に開示されている様に、アルミニウムま
たはアルミニウム合金中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を分散
させた低熱膨張・高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ系複
合材料が注目されている。また、特開平１０−２６００
０３号、特開２０００−１６０２６７号に開示されてい
る様に、更に放熱性を向上させたＣｕ−ＳｉＣ複合材料
についての研究開発も進められている。これらＡｌ−Ｓ
ｉＣ系およびＣｕ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法として
は、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法または溶融金
属含浸法等が知られている。これらのうち、粉末冶金
法、高圧鋳造法および真空鋳造法はその特質上、(1)Ｓ
ｉＣの含有量を40体積％以上にすることが困難である、
(2)ネットシェイプ成形が困難である、(3)大型の加圧装
置を必要とするため製造コストが高くなるといった問題
がある。
熱板材料として、特公平７−２６１７４号、特開昭６４
−８３６３４号に開示されている様に、アルミニウムま
たはアルミニウム合金中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を分散
させた低熱膨張・高熱伝導性を有するＡｌ−ＳｉＣ系複
合材料が注目されている。また、特開平１０−２６００
０３号、特開２０００−１６０２６７号に開示されてい
る様に、更に放熱性を向上させたＣｕ−ＳｉＣ複合材料
についての研究開発も進められている。これらＡｌ−Ｓ
ｉＣ系およびＣｕ−ＳｉＣ系複合材料の製造方法として
は、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法または溶融金
属含浸法等が知られている。これらのうち、粉末冶金
法、高圧鋳造法および真空鋳造法はその特質上、(1)Ｓ
ｉＣの含有量を40体積％以上にすることが困難である、
(2)ネットシェイプ成形が困難である、(3)大型の加圧装
置を必要とするため製造コストが高くなるといった問題
がある。
【０００７】一方、溶融金属含浸法は、ＳｉＣ粉末で形
成された多孔質プリフォームに、ＡｌあるいはＣｕイン
ゴットを接触させて、これを窒素雰囲気中で加圧もしく
は非加圧で加熱溶融したＡｌ合金あるいはＣｕ合金を多
孔質プリフォームに含浸させるものである。この溶融金
属含浸法は、ＳｉＣの含有量を20〜90体積％の範囲で選
択でき、またプリフォーム形状の自由度が高いので複雑
な形状の製品をネットシェイプ成形できる利点を有す
る。
成された多孔質プリフォームに、ＡｌあるいはＣｕイン
ゴットを接触させて、これを窒素雰囲気中で加圧もしく
は非加圧で加熱溶融したＡｌ合金あるいはＣｕ合金を多
孔質プリフォームに含浸させるものである。この溶融金
属含浸法は、ＳｉＣの含有量を20〜90体積％の範囲で選
択でき、またプリフォーム形状の自由度が高いので複雑
な形状の製品をネットシェイプ成形できる利点を有す
る。
【０００８】また、特開平１１−１６３２０９号あるい
は特開２０００―２７７９５３号では、アルミナ、窒化
アルミニウムまたは窒化ケイ素等のセラミックス基板表
面に金属回路を設け、しかも当該セラミックス基板の裏
面にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるＡ
ｌ−ＳｉＣ系複合体を配設しかつ両者を含浸したアルミ
ニウムを主成分とする金属により一体に接合してなるセ
ラミックス回路基板を記載している。当該構造を採用す
ることにより、従来用いられていた接合用金属板が不要
になり、高放熱性のセラミックス回路基板を、ろう付け
等の不要な接合工程を経ずして得られるといった利点を
有している。
は特開２０００―２７７９５３号では、アルミナ、窒化
アルミニウムまたは窒化ケイ素等のセラミックス基板表
面に金属回路を設け、しかも当該セラミックス基板の裏
面にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなるＡ
ｌ−ＳｉＣ系複合体を配設しかつ両者を含浸したアルミ
ニウムを主成分とする金属により一体に接合してなるセ
ラミックス回路基板を記載している。当該構造を採用す
ることにより、従来用いられていた接合用金属板が不要
になり、高放熱性のセラミックス回路基板を、ろう付け
等の不要な接合工程を経ずして得られるといった利点を
有している。
【０００９】次に特開平１１−１６３２０９号の実施例
には、予め銅板（厚さ0.1〜0.5ｍｍ）を接合して50ｍｍ
×30ｍｍ×0.635ｍｍのセラミック基板を用意し、含浸
時に前記セラミック基板表面（前記銅板が接合されてい
る面）が溶融したアルミニウム系合金溶湯に接触しない
ようにされるとともにＳｉＣ多孔体を前記セラミックス
基板の裏面に接触させた状態として金型に納め、次に加
熱してアルミニウム系合金溶湯を流し込み含浸させ、次
いで冷却してセラミックス回路基板を作製したことが記
載されている。しかし特開平１１−１６３２０９号には
ＳｉＣ多孔体にＣｕを含浸させるとともに含浸したＣｕ
によりセラミックス基板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料とを
一体に接合する記載はない。
には、予め銅板（厚さ0.1〜0.5ｍｍ）を接合して50ｍｍ
×30ｍｍ×0.635ｍｍのセラミック基板を用意し、含浸
時に前記セラミック基板表面（前記銅板が接合されてい
る面）が溶融したアルミニウム系合金溶湯に接触しない
ようにされるとともにＳｉＣ多孔体を前記セラミックス
基板の裏面に接触させた状態として金型に納め、次に加
熱してアルミニウム系合金溶湯を流し込み含浸させ、次
いで冷却してセラミックス回路基板を作製したことが記
載されている。しかし特開平１１−１６３２０９号には
ＳｉＣ多孔体にＣｕを含浸させるとともに含浸したＣｕ
によりセラミックス基板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料とを
一体に接合する記載はない。
【００１０】次に特開２０００―２７７９５３号では、
セラミックス基板の表面の回路を形成する材料とＳｉＣ
多孔体に含浸する材料とがいずれもアルミニウムを主成
分とする金属であることから、１回の含浸工程にて当該
回路基板を製造できる利点を有している。前述のように
回路部にＡｌを用いると、Ａｌ回路板とセラミックス基
板との接合信頼性を大幅に改善できるが、他方Ａｌの比
抵抗2.66×10−６ΩcmはＣｕの比抵抗1.67×10−６Ωcm
より約1.6倍大きい。このため高耐圧・大電流のパワー
モジュールに用いる場合には回路部の体積拡大が必要と
なり、このため回路基板全体の厚みが増大し、モジュー
ルが大型化してしまう難点がある。
セラミックス基板の表面の回路を形成する材料とＳｉＣ
多孔体に含浸する材料とがいずれもアルミニウムを主成
分とする金属であることから、１回の含浸工程にて当該
回路基板を製造できる利点を有している。前述のように
回路部にＡｌを用いると、Ａｌ回路板とセラミックス基
板との接合信頼性を大幅に改善できるが、他方Ａｌの比
抵抗2.66×10−６ΩcmはＣｕの比抵抗1.67×10−６Ωcm
より約1.6倍大きい。このため高耐圧・大電流のパワー
モジュールに用いる場合には回路部の体積拡大が必要と
なり、このため回路基板全体の厚みが増大し、モジュー
ルが大型化してしまう難点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】放熱部材としてＣｕ−
ＳｉＣ系複合材料を用い、Ｃｕ回路を有する従来のセラ
ミックス回路基板の断面図を図４に示す。図４におい
て、セラミックス基板２はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ
３）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁基
板である。セラミックス基板２の両面にはＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ系ろう材を介してＣｕ回路板３、Ｃｕ板４がそれぞ
れ接着されている。また回路板３にＡｌを用いた場合に
はＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介してセラミックス基板２と
接合する。Ｃｕ回路板３の上面には複数の半導体チップ
５がはんだにより実装されワイヤーで配線されている。
放熱基板６はＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなり、その上
面にめっきを施し、はんだ７を介してＣｕ板４が接着さ
れている。放熱基板６の下面に高熱伝導性グリス等が介
在し、放熱基板６と例えば放熱フィンを有する基板のヒ
ートシンク８とがねじ10で締結されている。このような
セラミックス回路基板１では半導体チップ５等から発生
した熱はＣｕ回路板３、セラミックス基板２、Ｃｕ板
４、はんだ７、および放熱基板６を経由してヒートシン
ク８の表面から放散される。
ＳｉＣ系複合材料を用い、Ｃｕ回路を有する従来のセラ
ミックス回路基板の断面図を図４に示す。図４におい
て、セラミックス基板２はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ
３）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁基
板である。セラミックス基板２の両面にはＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ系ろう材を介してＣｕ回路板３、Ｃｕ板４がそれぞ
れ接着されている。また回路板３にＡｌを用いた場合に
はＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介してセラミックス基板２と
接合する。Ｃｕ回路板３の上面には複数の半導体チップ
５がはんだにより実装されワイヤーで配線されている。
放熱基板６はＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなり、その上
面にめっきを施し、はんだ７を介してＣｕ板４が接着さ
れている。放熱基板６の下面に高熱伝導性グリス等が介
在し、放熱基板６と例えば放熱フィンを有する基板のヒ
ートシンク８とがねじ10で締結されている。このような
セラミックス回路基板１では半導体チップ５等から発生
した熱はＣｕ回路板３、セラミックス基板２、Ｃｕ板
４、はんだ７、および放熱基板６を経由してヒートシン
ク８の表面から放散される。
【００１２】上記従来例のセラミックス回路基板におい
ては、半導体チップを実装したセラミックス基板部（セ
ラミックス基板２にＣｕ回路板３およびＣｕ板４を接着
したＣｕ回路基板を指す）と放熱基板６とをはんだ７付
けて接着する。そのため、回路の作動中に半導体チップ
からの発熱あるいは使用環境における温度差に起因する
繰り返しの熱応力が与えられると、セラミックス基板部
と放熱基板６との熱膨張差によりはんだ接合面が剥離す
るおそれがあり、はんだ付けの信頼性に劣る課題があ
る。また、半導体チップ５をセラミックス基板にはんだ
で接着させた後、放熱基板６を接着させるので、半導体
チップ５の接着に用いたはんだに比べ低融点のはんだ７
でセラミックス基板部と放熱基板６を接着させる必要が
ある。したがって、通常、セラミックス基板部と放熱基
板６との接着は低融点のＰｂ−Ｓｎ系またはＰｂ−Ｓｂ
系はんだ等が用いられる。これらのはんだは一般に熱伝
導率が低いため接着による熱抵抗が増加し、回路基板全
体の放熱能力を低下させるという課題がある。また近年
の対環境面からの要望により、はんだのＰｂレス化が推
進されており、はんだ組成の選択範囲に限りがあるとい
った問題も生じている。またセラミックス基板２の両面
に接着されるＣｕあるいはＡｌ回路板３、Ｃｕあるいは
Ａｌ板４を準備する必要があり、それらの接着の際には
Ａｇ−Ｃｕ系あるいはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を必要とす
る。さらには放熱基板６を接着させるはんだ７を必要と
するため、セラミックス回路基板の製作が煩雑となり製
造コストを高めてしまう課題がある。
ては、半導体チップを実装したセラミックス基板部（セ
ラミックス基板２にＣｕ回路板３およびＣｕ板４を接着
したＣｕ回路基板を指す）と放熱基板６とをはんだ７付
けて接着する。そのため、回路の作動中に半導体チップ
からの発熱あるいは使用環境における温度差に起因する
繰り返しの熱応力が与えられると、セラミックス基板部
と放熱基板６との熱膨張差によりはんだ接合面が剥離す
るおそれがあり、はんだ付けの信頼性に劣る課題があ
る。また、半導体チップ５をセラミックス基板にはんだ
で接着させた後、放熱基板６を接着させるので、半導体
チップ５の接着に用いたはんだに比べ低融点のはんだ７
でセラミックス基板部と放熱基板６を接着させる必要が
ある。したがって、通常、セラミックス基板部と放熱基
板６との接着は低融点のＰｂ−Ｓｎ系またはＰｂ−Ｓｂ
系はんだ等が用いられる。これらのはんだは一般に熱伝
導率が低いため接着による熱抵抗が増加し、回路基板全
体の放熱能力を低下させるという課題がある。また近年
の対環境面からの要望により、はんだのＰｂレス化が推
進されており、はんだ組成の選択範囲に限りがあるとい
った問題も生じている。またセラミックス基板２の両面
に接着されるＣｕあるいはＡｌ回路板３、Ｃｕあるいは
Ａｌ板４を準備する必要があり、それらの接着の際には
Ａｇ−Ｃｕ系あるいはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を必要とす
る。さらには放熱基板６を接着させるはんだ７を必要と
するため、セラミックス回路基板の製作が煩雑となり製
造コストを高めてしまう課題がある。
【００１３】したがって、本発明の目的は、はんだ付け
の信頼性に劣る課題、はんだ付けにより熱抵抗が増加す
る課題、および製造コストを高めてしまう課題を解決
し、熱サイクル寿命が長く、安価でかつ安定に工業生産
を行えるとともに、高耐圧・大電流での使用が可能な、
Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱部材を具備する窒
化ケイ素回路基板およびその製造方法を提供することで
ある。
の信頼性に劣る課題、はんだ付けにより熱抵抗が増加す
る課題、および製造コストを高めてしまう課題を解決
し、熱サイクル寿命が長く、安価でかつ安定に工業生産
を行えるとともに、高耐圧・大電流での使用が可能な、
Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱部材を具備する窒
化ケイ素回路基板およびその製造方法を提供することで
ある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは低熱膨張性
でかつ高熱伝導性を有するＣｕ−ＳｉＣ系複合材料から
なる放熱部材を具備するセラミックス回路基板の研究を
鋭意行い、ＳｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォーム
に加熱溶融した純Ｃｕ金属またはＣｕ合金を含浸させる
に際し、窒化ケイ素基板と前記ＳｉＣ多孔質プリフォー
ムとを当接した状態とし、次いでＣｕを含浸させてＣｕ
−ＳｉＣ系複合材料を形成するとともに、窒化ケイ素基
板と含浸し形成したＣｕ−ＳｉＣ系複合材料とをその含
浸したＣｕにより一体接合することにより上記目的を達
成できることを発見した。
でかつ高熱伝導性を有するＣｕ−ＳｉＣ系複合材料から
なる放熱部材を具備するセラミックス回路基板の研究を
鋭意行い、ＳｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォーム
に加熱溶融した純Ｃｕ金属またはＣｕ合金を含浸させる
に際し、窒化ケイ素基板と前記ＳｉＣ多孔質プリフォー
ムとを当接した状態とし、次いでＣｕを含浸させてＣｕ
−ＳｉＣ系複合材料を形成するとともに、窒化ケイ素基
板と含浸し形成したＣｕ−ＳｉＣ系複合材料とをその含
浸したＣｕにより一体接合することにより上記目的を達
成できることを発見した。
【００１５】すなわち、本発明の窒化ケイ素回路基板
は、例えば窒化ケイ素基板とＳｉＣ粉末で形成された多
孔質プリフォームとを隣接させ、前記プリフォームに溶
融したＣｕを含浸させることにより両者を一体に接合し
形成したことを特徴とする。ＳｉＣプリフォームにＣｕ
を含浸させる際に、溶融したＣｕがＳｉＣプリフォーム
とＳｉＣプリフォームを装入した型の内壁との隙間を通
り、またＳｉＣプリフォーム中を含浸して通り、窒化ケ
イ素基板とＳｉＣ複合材料との接合界面に介在して接合
される。したがって、窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系
複合材料の接合のために介在したＣｕは、ＳｉＣプリフ
ォームに含浸されたＣｕと組成は実質的に同じとなる。
また前記ＳｉＣプリフォームに含浸されたＣｕにより窒
化ケイ素基板の表面に半導体チップ搭載用のＣｕ回路部
を形成することができる。
は、例えば窒化ケイ素基板とＳｉＣ粉末で形成された多
孔質プリフォームとを隣接させ、前記プリフォームに溶
融したＣｕを含浸させることにより両者を一体に接合し
形成したことを特徴とする。ＳｉＣプリフォームにＣｕ
を含浸させる際に、溶融したＣｕがＳｉＣプリフォーム
とＳｉＣプリフォームを装入した型の内壁との隙間を通
り、またＳｉＣプリフォーム中を含浸して通り、窒化ケ
イ素基板とＳｉＣ複合材料との接合界面に介在して接合
される。したがって、窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系
複合材料の接合のために介在したＣｕは、ＳｉＣプリフ
ォームに含浸されたＣｕと組成は実質的に同じとなる。
また前記ＳｉＣプリフォームに含浸されたＣｕにより窒
化ケイ素基板の表面に半導体チップ搭載用のＣｕ回路部
を形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の窒化ケイ素回路基板に用
いるＣｕ−ＳｉＣ系複合材料は例えば溶融金属含浸法に
より製造できるのでＳｉＣ粉末の含有量を多くすること
ができ、熱膨張係数および熱伝導率を広範囲にコントロ
ールできる。ＳｉＣ粉末の含有量を体積比で60％以上と
したい場合には微細粒、細粒および粗粒を所定の割合で
混合して粒度調整し、粉末の充填率を向上させればよ
い。また、ＳｉＣプリフォーム形状を自由に変えられる
ので、平板形状のみならず複雑な形状の製品でもネット
シェイプ成形できる。窒化ケイ素基板とＳｉＣ複合材料
とをＣｕ含浸し両者を一体接合するので、従来のような
はんだ付けの信頼性劣化および熱抵抗が増加する問題が
なくなり熱サイクル寿命が長くなる。また、ＳｉＣプリ
フォームに含浸されたＣｕにより窒化ケイ素基板の表面
にＣｕ回路部を形成した場合は従来のＣｕ回路板やろう
材が不要となる。したがって、窒化ケイ素回路基板の製
作が容易になり製造コストを安価にできる。
いるＣｕ−ＳｉＣ系複合材料は例えば溶融金属含浸法に
より製造できるのでＳｉＣ粉末の含有量を多くすること
ができ、熱膨張係数および熱伝導率を広範囲にコントロ
ールできる。ＳｉＣ粉末の含有量を体積比で60％以上と
したい場合には微細粒、細粒および粗粒を所定の割合で
混合して粒度調整し、粉末の充填率を向上させればよ
い。また、ＳｉＣプリフォーム形状を自由に変えられる
ので、平板形状のみならず複雑な形状の製品でもネット
シェイプ成形できる。窒化ケイ素基板とＳｉＣ複合材料
とをＣｕ含浸し両者を一体接合するので、従来のような
はんだ付けの信頼性劣化および熱抵抗が増加する問題が
なくなり熱サイクル寿命が長くなる。また、ＳｉＣプリ
フォームに含浸されたＣｕにより窒化ケイ素基板の表面
にＣｕ回路部を形成した場合は従来のＣｕ回路板やろう
材が不要となる。したがって、窒化ケイ素回路基板の製
作が容易になり製造コストを安価にできる。
【００１７】本発明の回路基板を構成するＣｕ−ＳｉＣ
系複合材料からなる放熱部材は、平板状の放熱基板、放
熱フィン等を設けたヒートシンク、あるいは枠体状のパ
ッケージ等いずれの形態でも構わない。また、前記放熱
部材の一部にねじ孔をあけ、放熱機能をさらに上げるた
めに別個に設けたヒートシンクとねじ等の締結部材を介
して締結すると放熱特性を更に向上できる。このねじ孔
は予めねじ孔に該当する孔を設けたＳｉＣプリフォーム
にＣｕを含浸させて形成することができる。
系複合材料からなる放熱部材は、平板状の放熱基板、放
熱フィン等を設けたヒートシンク、あるいは枠体状のパ
ッケージ等いずれの形態でも構わない。また、前記放熱
部材の一部にねじ孔をあけ、放熱機能をさらに上げるた
めに別個に設けたヒートシンクとねじ等の締結部材を介
して締結すると放熱特性を更に向上できる。このねじ孔
は予めねじ孔に該当する孔を設けたＳｉＣプリフォーム
にＣｕを含浸させて形成することができる。
【００１８】本発明の回路基板において、窒化ケイ素基
板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱部材との接合
面に介在するＣｕの厚さは実用に耐える高い接合強度お
よび高い熱伝導性を有するために平均値で10〜100μ
ｍ、好ましくは30〜50μｍとするのがよい。含浸される
Ｃｕは純Ｃｕ金属あるいはＣｕ合金が好ましい。具体的
にいえば、JISH3100で規定される合金番号C1020、C110
0、C1201、C1220またはC1221（これらはいずれもＣｕ純
度99.75重量％以上の純Ｃｕ金属であり0.04重量％以下
のＰの含有が許容される）が好ましい。また工業生産上
安価なＣｕ合金を用いることが有利であり、Ｃｕ純度80
重量％以上でありかつＰ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ａ
ｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＡｓおよびＳｉの群から選択される少
なくとも１種の元素の含有が許容されるＣｕ合金を使用
できる。Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料のＣｕ含有量を10〜80
体積％、好ましくは20〜60体積％とするのが熱膨張係数
を５×10−６〜16×10−６/Kおよび熱伝導率を150〜390
W/(m・K)にするために望ましい。特に消費電力が80Ｗを
超えるハイパワー半導体は動作時の到達温度が120℃以
上に上昇し作動劣化となる不具合が生じやすいので半導
体チップ部での発熱を速やかに系外へ放散するために高
い放熱性が要求され、Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料の熱伝導
率を200 W/(m・K)以上とするのがより好ましい。
板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱部材との接合
面に介在するＣｕの厚さは実用に耐える高い接合強度お
よび高い熱伝導性を有するために平均値で10〜100μ
ｍ、好ましくは30〜50μｍとするのがよい。含浸される
Ｃｕは純Ｃｕ金属あるいはＣｕ合金が好ましい。具体的
にいえば、JISH3100で規定される合金番号C1020、C110
0、C1201、C1220またはC1221（これらはいずれもＣｕ純
度99.75重量％以上の純Ｃｕ金属であり0.04重量％以下
のＰの含有が許容される）が好ましい。また工業生産上
安価なＣｕ合金を用いることが有利であり、Ｃｕ純度80
重量％以上でありかつＰ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ａ
ｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＡｓおよびＳｉの群から選択される少
なくとも１種の元素の含有が許容されるＣｕ合金を使用
できる。Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料のＣｕ含有量を10〜80
体積％、好ましくは20〜60体積％とするのが熱膨張係数
を５×10−６〜16×10−６/Kおよび熱伝導率を150〜390
W/(m・K)にするために望ましい。特に消費電力が80Ｗを
超えるハイパワー半導体は動作時の到達温度が120℃以
上に上昇し作動劣化となる不具合が生じやすいので半導
体チップ部での発熱を速やかに系外へ放散するために高
い放熱性が要求され、Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料の熱伝導
率を200 W/(m・K)以上とするのがより好ましい。
【００１９】ＳｉＣのプリフォームを成形する方法はＣ
ｕ含浸を完了するまで形態を保っておりかつＣｕ含浸を
阻害しなければ公知の方法を採用可能であり特に限定さ
れない。沈降成形法、射出成形法またはＣＩＰ法の実用
性が高い。これらのＣｕ含浸方法は加圧または非加圧で
行う等の条件に限定はない。溶融金属含浸法によりＣｕ
を含浸し、得られたＣｕ−ＳｉＣ系複合材料の表面にＳ
ｉＣ粉末が露出せず、窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系
複合材料の接合面間にＣｕが介在するのみならず、接合
面間以外のＣｕ−ＳｉＣ系複合材料表面全体にわたって
含浸Ｃｕのリッチな被覆層を形成するのが本発明の回路
基板の特性および加工性等を向上するために望ましい。
ここで絶縁基板に高強度でかつ高熱伝導性の窒化ケイ素
を用いた理由は、窒化ケイ素基板が高強度なので溶融Ｃ
ｕ含浸後の冷却過程でＣｕ／窒化ケイ素界面で発生する
両者の熱膨張差に起因する残留応力により窒化ケイ素基
板にクラックを発生することがほとんどないからであ
る。また繰り返しの熱応力が負荷されてもＣｕの大きな
伸収縮の変化にも耐えることができる。このため本発明
の回路基板に形成されるＣｕ回路板の厚みを平均値で1.
0〜３ｍｍ、好ましくは1.5〜2.5ｍｍに厚く形成するこ
とができる。このようにＣｕ回路板を厚く形成できるこ
とは、本発明の回路基板を構成する窒化ケイ素基板とＣ
ｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板との熱膨張係数
差により生じる、前記回路基板の側面から見て窒化ケイ
素基板側に生じ易い凸形状の反りの発生を非常に少なく
抑制できるという効果につながる。また本発明の回路基
板を構成するＣｕ回路／窒化ケイ素基板／放熱基板の各
接合周辺部の残留応力を顕著に低減できるため、パワー
半導体モジュールとしての実装信頼性が飛躍的に向上す
る。更にＣｕ回路板の厚みを増加させたことにより電気
伝導効率を上昇できるので高耐圧・大電流下での適用が
可能となる。因みに、窒化ケイ素基板に比べて低強度の
アルミナあるいは窒化アルミニウム製基板を用いて構成
した回路基板にＣｕ含浸によりＣｕ回路板を形成する場
合はアルミナあるいは窒化アルミニウム製基板のクラッ
ク発生を抑えるためにＣｕ回路板の厚みを平均値でせい
ぜい0.1〜0.3ｍｍという薄さに制限する必要がある。
ｕ含浸を完了するまで形態を保っておりかつＣｕ含浸を
阻害しなければ公知の方法を採用可能であり特に限定さ
れない。沈降成形法、射出成形法またはＣＩＰ法の実用
性が高い。これらのＣｕ含浸方法は加圧または非加圧で
行う等の条件に限定はない。溶融金属含浸法によりＣｕ
を含浸し、得られたＣｕ−ＳｉＣ系複合材料の表面にＳ
ｉＣ粉末が露出せず、窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系
複合材料の接合面間にＣｕが介在するのみならず、接合
面間以外のＣｕ−ＳｉＣ系複合材料表面全体にわたって
含浸Ｃｕのリッチな被覆層を形成するのが本発明の回路
基板の特性および加工性等を向上するために望ましい。
ここで絶縁基板に高強度でかつ高熱伝導性の窒化ケイ素
を用いた理由は、窒化ケイ素基板が高強度なので溶融Ｃ
ｕ含浸後の冷却過程でＣｕ／窒化ケイ素界面で発生する
両者の熱膨張差に起因する残留応力により窒化ケイ素基
板にクラックを発生することがほとんどないからであ
る。また繰り返しの熱応力が負荷されてもＣｕの大きな
伸収縮の変化にも耐えることができる。このため本発明
の回路基板に形成されるＣｕ回路板の厚みを平均値で1.
0〜３ｍｍ、好ましくは1.5〜2.5ｍｍに厚く形成するこ
とができる。このようにＣｕ回路板を厚く形成できるこ
とは、本発明の回路基板を構成する窒化ケイ素基板とＣ
ｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板との熱膨張係数
差により生じる、前記回路基板の側面から見て窒化ケイ
素基板側に生じ易い凸形状の反りの発生を非常に少なく
抑制できるという効果につながる。また本発明の回路基
板を構成するＣｕ回路／窒化ケイ素基板／放熱基板の各
接合周辺部の残留応力を顕著に低減できるため、パワー
半導体モジュールとしての実装信頼性が飛躍的に向上す
る。更にＣｕ回路板の厚みを増加させたことにより電気
伝導効率を上昇できるので高耐圧・大電流下での適用が
可能となる。因みに、窒化ケイ素基板に比べて低強度の
アルミナあるいは窒化アルミニウム製基板を用いて構成
した回路基板にＣｕ含浸によりＣｕ回路板を形成する場
合はアルミナあるいは窒化アルミニウム製基板のクラッ
ク発生を抑えるためにＣｕ回路板の厚みを平均値でせい
ぜい0.1〜0.3ｍｍという薄さに制限する必要がある。
【００２０】
【実施例】以下図面および実施例により本発明を詳細に
説明するが、それら実施例により本発明が限定されるも
のではない。
説明するが、それら実施例により本発明が限定されるも
のではない。
【００２１】（実施例１）図１は本発明の窒化ケイ素回
路基板の一態様を示す断面図である。図１の窒化ケイ素
回路基板１において、11は窒化ケイ素基板２の表面に形
成したＣｕ回路であり、Ｃｕ回路11の上面には複数の半
導体チップ５がはんだにより接着されている。６はＣｕ
−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板であり、窒化ケイ
素基板２の下面と放熱基板６の上面とが放熱基板６に含
浸させたＣｕ９（JISH3100、合金番号：C1221、Ｃｕ純
度99.75重量％）により接合されている。窒化ケイ素基
板２と放熱基板６との接合面間に介在するＣｕ９の厚さ
は30μｍ（平均値）であった。窒化ケイ素回路基板１の
製造方法について以下に説明する。ＳｉＣ粉末（昭和電
工（株）製、商品名：ク゛リーンテ゛ンシック）：60重量部と、ア
ミン系分散剤を3.5ｗｔ％添加したデカハイドロナフタ
レン（関東化学（株）製）：40重量部とを攪拌機に投入
し、ＳｉＣ粒子がスラリー中に良好に分散するまで攪拌
した。前記ＳｉＣ粉末はプリフォームの充填密度ならび
に気孔率を調整するために、平均粒径（測定法：レーサ゛ー
回折散乱法）２μｍ、７μｍおよび20μｍの３種類のも
のをそれぞれ10重量部、35重量部および55重量部配合
し、前記混合機に投入した。分散が良好になる攪拌時間
の決定は、スポイトにより混合スラリー30ｍｌを取り出
し、コーン型の回転式粘度計を用いて室温の粘度が一定
に飽和する時間とした。室温で測定した粘度は約2500cP
であった。次に得られたＳｉＣスラリー：80重量部、ポ
リエステル系可塑剤：５重量部、およびポリアクリル系
結合剤：15重量部を加え再度攪拌した。続いてＳｉＣス
ラリー中の気泡除去と粘度調整のために攪拌脱泡処理を
施し所望のスラリーを得た。次に得られたスラリーをＣ
ｕ製の金型に注入して成形後、５℃以下に冷却して脱型
した。次いで乾燥してＳｉＣの含有量が60体積％（気孔
40体積％）となるＳｉＣプリフォームを形成した。続い
てＳｉＣプリフォームの上に窒化ケイ素基板２を積み重
ねた状態とし炭素製型（図示省略）に装入した。ＳｉＣ
プリフォームおよび窒化ケイ素基板２と型の内壁との間
に所定の隙間を確保した。次にＳｉＣプリフォームおよ
び窒化ケイ素基板２を装入した型を容器内に複数段積み
重ね、さらにその上にＣｕインゴット（JISH3100、合金
番号：C1221）を置き、Ｃｕインゴットを1100℃で加熱
溶融した後、溶融Ｃｕを圧入し含浸させた。含浸を完了
後冷却し、型を解体した。その結果、窒化ケイ素基板２
とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板６とはＳｉ
Ｃプリフォームに含浸させたＣｕ９を介して一体に接合
されていた。これはＳｉＣプリフォームにＣｕを含浸さ
せる際に溶融したＣｕがＳｉＣプリフォームとＳｉＣプ
リフォームを装入した型の内壁との隙間を通り、またＳ
ｉＣプリフォーム中を含浸して通り、窒化ケイ素基板と
Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料との接合界面に介在して金属的
接合されたからである。またＣｕを含浸させる際、同時
に窒化ケイ素基板２の上面にＣｕ被覆層を形成させた。
このＣｕ被覆層の形状は予め所望パターンを形成した金
型を使用することで制御できる。前述と同様、溶融した
Ｃｕが窒化ケイ素基板の上面とこれを装入した型の内壁
との隙間を通り、Ｃｕ被覆層が形成されていた。次に形
成したＣｕ被覆層を塩酸で酸エッチングすることにより
所定パターンのＣｕ回路11を形成した。ここで、酸エッ
チングを行わずにＣｕ回路11を形成する方法として、前
記の窒化ケイ素基板２の上面にＣｕ被覆層を形成させた
ものの表面のＣｕ回路11形成予定位置にレジスト層を形
成し、次いでサンドブラスト、ショットブラストあるい
はハイドロブラストによりＣｕ回路11形成部分以外のＣ
ｕ被覆層を除去する方法が挙げられる。あるいは予め上
面にＣｕ板をろう付けするか、または直接接合法により
接着させてなる窒化ケイ素基板２をＳｉＣプリフォーム
に当接させ、ＳｉＣプリフォームにＣｕを含浸すること
により両者を一体に接合させて窒化ケイ素回路基板１を
作製してもよいし、窒化ケイ素基板２とＳｉＣプリフォ
ームとをＣｕ含浸により接合させた後所定パターンのＣ
ｕ回路板をろう付け処理などにより接着してもよい。得
られた本実施例の窒化ケイ素回路基板を構成する放熱基
板６の熱膨張係数は８×10−６/K、熱伝導率は280W/(m・
K)であり、良好な低熱膨張・高熱伝導特性を有してい
た。即ち本発明の窒化ケイ素回路基板１では半導体チッ
プ５等から発生した熱はチップ５直下のはんだ（図示省
略）、Ｃｕ回路11、セラミックス基板２、接合面間に介
在したＣｕ９、放熱基板６を経由して効率よく放散され
ていた。
路基板の一態様を示す断面図である。図１の窒化ケイ素
回路基板１において、11は窒化ケイ素基板２の表面に形
成したＣｕ回路であり、Ｃｕ回路11の上面には複数の半
導体チップ５がはんだにより接着されている。６はＣｕ
−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板であり、窒化ケイ
素基板２の下面と放熱基板６の上面とが放熱基板６に含
浸させたＣｕ９（JISH3100、合金番号：C1221、Ｃｕ純
度99.75重量％）により接合されている。窒化ケイ素基
板２と放熱基板６との接合面間に介在するＣｕ９の厚さ
は30μｍ（平均値）であった。窒化ケイ素回路基板１の
製造方法について以下に説明する。ＳｉＣ粉末（昭和電
工（株）製、商品名：ク゛リーンテ゛ンシック）：60重量部と、ア
ミン系分散剤を3.5ｗｔ％添加したデカハイドロナフタ
レン（関東化学（株）製）：40重量部とを攪拌機に投入
し、ＳｉＣ粒子がスラリー中に良好に分散するまで攪拌
した。前記ＳｉＣ粉末はプリフォームの充填密度ならび
に気孔率を調整するために、平均粒径（測定法：レーサ゛ー
回折散乱法）２μｍ、７μｍおよび20μｍの３種類のも
のをそれぞれ10重量部、35重量部および55重量部配合
し、前記混合機に投入した。分散が良好になる攪拌時間
の決定は、スポイトにより混合スラリー30ｍｌを取り出
し、コーン型の回転式粘度計を用いて室温の粘度が一定
に飽和する時間とした。室温で測定した粘度は約2500cP
であった。次に得られたＳｉＣスラリー：80重量部、ポ
リエステル系可塑剤：５重量部、およびポリアクリル系
結合剤：15重量部を加え再度攪拌した。続いてＳｉＣス
ラリー中の気泡除去と粘度調整のために攪拌脱泡処理を
施し所望のスラリーを得た。次に得られたスラリーをＣ
ｕ製の金型に注入して成形後、５℃以下に冷却して脱型
した。次いで乾燥してＳｉＣの含有量が60体積％（気孔
40体積％）となるＳｉＣプリフォームを形成した。続い
てＳｉＣプリフォームの上に窒化ケイ素基板２を積み重
ねた状態とし炭素製型（図示省略）に装入した。ＳｉＣ
プリフォームおよび窒化ケイ素基板２と型の内壁との間
に所定の隙間を確保した。次にＳｉＣプリフォームおよ
び窒化ケイ素基板２を装入した型を容器内に複数段積み
重ね、さらにその上にＣｕインゴット（JISH3100、合金
番号：C1221）を置き、Ｃｕインゴットを1100℃で加熱
溶融した後、溶融Ｃｕを圧入し含浸させた。含浸を完了
後冷却し、型を解体した。その結果、窒化ケイ素基板２
とＣｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱基板６とはＳｉ
Ｃプリフォームに含浸させたＣｕ９を介して一体に接合
されていた。これはＳｉＣプリフォームにＣｕを含浸さ
せる際に溶融したＣｕがＳｉＣプリフォームとＳｉＣプ
リフォームを装入した型の内壁との隙間を通り、またＳ
ｉＣプリフォーム中を含浸して通り、窒化ケイ素基板と
Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料との接合界面に介在して金属的
接合されたからである。またＣｕを含浸させる際、同時
に窒化ケイ素基板２の上面にＣｕ被覆層を形成させた。
このＣｕ被覆層の形状は予め所望パターンを形成した金
型を使用することで制御できる。前述と同様、溶融した
Ｃｕが窒化ケイ素基板の上面とこれを装入した型の内壁
との隙間を通り、Ｃｕ被覆層が形成されていた。次に形
成したＣｕ被覆層を塩酸で酸エッチングすることにより
所定パターンのＣｕ回路11を形成した。ここで、酸エッ
チングを行わずにＣｕ回路11を形成する方法として、前
記の窒化ケイ素基板２の上面にＣｕ被覆層を形成させた
ものの表面のＣｕ回路11形成予定位置にレジスト層を形
成し、次いでサンドブラスト、ショットブラストあるい
はハイドロブラストによりＣｕ回路11形成部分以外のＣ
ｕ被覆層を除去する方法が挙げられる。あるいは予め上
面にＣｕ板をろう付けするか、または直接接合法により
接着させてなる窒化ケイ素基板２をＳｉＣプリフォーム
に当接させ、ＳｉＣプリフォームにＣｕを含浸すること
により両者を一体に接合させて窒化ケイ素回路基板１を
作製してもよいし、窒化ケイ素基板２とＳｉＣプリフォ
ームとをＣｕ含浸により接合させた後所定パターンのＣ
ｕ回路板をろう付け処理などにより接着してもよい。得
られた本実施例の窒化ケイ素回路基板を構成する放熱基
板６の熱膨張係数は８×10−６/K、熱伝導率は280W/(m・
K)であり、良好な低熱膨張・高熱伝導特性を有してい
た。即ち本発明の窒化ケイ素回路基板１では半導体チッ
プ５等から発生した熱はチップ５直下のはんだ（図示省
略）、Ｃｕ回路11、セラミックス基板２、接合面間に介
在したＣｕ９、放熱基板６を経由して効率よく放散され
ていた。
【００２２】本実施例（図１）のパワー半導体モジュー
ルの放熱特性の評価結果を表１に示す。放熱特性は、通
電時の半導体チップ５の表面温度および熱抵抗を測定し
評価した。表面温度の測定は、接触式の温度計を用い評
価した。また、熱抵抗は、熱抵抗評価装置（キャッツ電
子製：MODEL DVF050）を用い、半導体のPNジャンクシ
ョン（ベース-エミッター間）を用いた順方向立ち上が
り電圧（VF）を測定し、当該電圧差と予め装置に取り込
まれた検量線から算出される温度差を負荷電力で除した
値を用いた。半導体チップの熱抵抗は、半導体モジュー
ルを構成する金属回路板、金属板、放熱基板ならびには
んだ層の放熱性に大きく影響されるため、モジュール自
身の放熱性を評価する上で有用である。なお本発明の実
施例および後述の比較例１、２において評価に供した半
導体モジュールの金属回路板、金属板の厚みはいずれも
0.5mmとし、放熱板の厚みはいずれも３mmとし、半導体
チップの寸法および出力はそれぞれ７mm□および100Wと
した。また窒化ケイ素基板として熱伝導率：90W/m・K、
曲げ強度：750MPaおよび厚み：0.6mmのものを用いた。
ルの放熱特性の評価結果を表１に示す。放熱特性は、通
電時の半導体チップ５の表面温度および熱抵抗を測定し
評価した。表面温度の測定は、接触式の温度計を用い評
価した。また、熱抵抗は、熱抵抗評価装置（キャッツ電
子製：MODEL DVF050）を用い、半導体のPNジャンクシ
ョン（ベース-エミッター間）を用いた順方向立ち上が
り電圧（VF）を測定し、当該電圧差と予め装置に取り込
まれた検量線から算出される温度差を負荷電力で除した
値を用いた。半導体チップの熱抵抗は、半導体モジュー
ルを構成する金属回路板、金属板、放熱基板ならびには
んだ層の放熱性に大きく影響されるため、モジュール自
身の放熱性を評価する上で有用である。なお本発明の実
施例および後述の比較例１、２において評価に供した半
導体モジュールの金属回路板、金属板の厚みはいずれも
0.5mmとし、放熱板の厚みはいずれも３mmとし、半導体
チップの寸法および出力はそれぞれ７mm□および100Wと
した。また窒化ケイ素基板として熱伝導率：90W/m・K、
曲げ強度：750MPaおよび厚み：0.6mmのものを用いた。
【００２３】
【表１】
【００２４】（比較例１）比較例１として、Ａｌ含浸法
を適用し、表面に金属（Ａｌ）回路板を形成した窒化ケ
イ素基板とＡｌ−ＳｉＣ系複合材料製の放熱板とが含浸
したＡｌにより接合されてなる構成とした以外は上記実
施例と同一構造の複合セラミックス回路基板を作製し
た。このモジュール構造における半導体チップの表面温
度は59.3℃であり、また半導体チップの熱抵抗は0.58℃
/Wであった。このように実施例１と比較していずれも高
い値を示し放熱性に劣ることが判明した。
を適用し、表面に金属（Ａｌ）回路板を形成した窒化ケ
イ素基板とＡｌ−ＳｉＣ系複合材料製の放熱板とが含浸
したＡｌにより接合されてなる構成とした以外は上記実
施例と同一構造の複合セラミックス回路基板を作製し
た。このモジュール構造における半導体チップの表面温
度は59.3℃であり、また半導体チップの熱抵抗は0.58℃
/Wであった。このように実施例１と比較していずれも高
い値を示し放熱性に劣ることが判明した。
【００２５】（比較例２）比較例２として、従来構造の
半導体モジュール構造であり、予め窒化ケイ素基板の表
面部にＣｕ回路板を、およびその裏面部にＣｕ板をそれ
ぞれ接合し、これに半田により放熱板のＡｌ−ＳｉＣ系
複合材料を接合した以外は上記実施例と同一構造の複合
セラミックス回路基板を作製した。このモジュール構造
における半導体チップの表面温度は62.5℃であり、また
半導体チップの熱抵抗は0.73℃/Wであった。このように
実施例１と比較していずれも高い値を示し放熱性に劣る
ことが判明した。
半導体モジュール構造であり、予め窒化ケイ素基板の表
面部にＣｕ回路板を、およびその裏面部にＣｕ板をそれ
ぞれ接合し、これに半田により放熱板のＡｌ−ＳｉＣ系
複合材料を接合した以外は上記実施例と同一構造の複合
セラミックス回路基板を作製した。このモジュール構造
における半導体チップの表面温度は62.5℃であり、また
半導体チップの熱抵抗は0.73℃/Wであった。このように
実施例１と比較していずれも高い値を示し放熱性に劣る
ことが判明した。
【００２６】（実施例２）図２は本発明の回路基板の別
の態様を示す断面図である。11は窒化ケイ素基板２の表
面に形成したＣｕ回路であり、その上面には複数の半導
体チップ５が搭載されている。８は形状が異なる以外は
実施例１と同様にして作製したＣｕ−ＳｉＣ系複合材料
からなる放熱フィンを有するヒートシンクであり、セラ
ミックス基板２の下面とヒートシンク８の上面とがヒー
トシンク８に含浸させたＣｕ９を介して一体に接合され
ている。図２の回路基板は図１の回路基板と同様に良好
な低熱膨張性を呈し、かつ図１の回路基板よりも更に良
好な放熱性を有していた。
の態様を示す断面図である。11は窒化ケイ素基板２の表
面に形成したＣｕ回路であり、その上面には複数の半導
体チップ５が搭載されている。８は形状が異なる以外は
実施例１と同様にして作製したＣｕ−ＳｉＣ系複合材料
からなる放熱フィンを有するヒートシンクであり、セラ
ミックス基板２の下面とヒートシンク８の上面とがヒー
トシンク８に含浸させたＣｕ９を介して一体に接合され
ている。図２の回路基板は図１の回路基板と同様に良好
な低熱膨張性を呈し、かつ図１の回路基板よりも更に良
好な放熱性を有していた。
【００２７】（実施例３）図３は本発明の回路基板の更
に別の態様を示す断面図である。11は窒化ケイ素基板２
の表面に形成したＣｕ回路であり、その上面には複数の
半導体チップ５が搭載されている。12は形状が異なる以
外は実施例１と同様にして作製したＣｕ−ＳｉＣ系複合
材料からなる四角枠体状のパッケージである。窒化ケイ
素基板２の側面とパッケージ12の側面とがパッケージ12
に含浸させたＣｕ９を介して一体に接合されている。ま
た窒化ケイ素基板２の下面とパッケージ12の上面もＣｕ
９を介して一体に接合されて、パッケージ12の各々の枠
同士がＣｕ９により連結されている。パッケージ12の下
面にグリス（信越化学（株）製、商品名：Ｇ７６５）を
介在させ、パッケージ12に設けたねじ孔を利用し、パッ
ケージ12と別個に設けたヒートシンク13とをねじ10で締
結した。図３の回路基板は図１、２の回路基板と同様に
良好な低熱膨張性を呈し、かつ図１、２の回路基板より
も更に良好な放熱性を有していた。
に別の態様を示す断面図である。11は窒化ケイ素基板２
の表面に形成したＣｕ回路であり、その上面には複数の
半導体チップ５が搭載されている。12は形状が異なる以
外は実施例１と同様にして作製したＣｕ−ＳｉＣ系複合
材料からなる四角枠体状のパッケージである。窒化ケイ
素基板２の側面とパッケージ12の側面とがパッケージ12
に含浸させたＣｕ９を介して一体に接合されている。ま
た窒化ケイ素基板２の下面とパッケージ12の上面もＣｕ
９を介して一体に接合されて、パッケージ12の各々の枠
同士がＣｕ９により連結されている。パッケージ12の下
面にグリス（信越化学（株）製、商品名：Ｇ７６５）を
介在させ、パッケージ12に設けたねじ孔を利用し、パッ
ケージ12と別個に設けたヒートシンク13とをねじ10で締
結した。図３の回路基板は図１、２の回路基板と同様に
良好な低熱膨張性を呈し、かつ図１、２の回路基板より
も更に良好な放熱性を有していた。
【００２８】これら実施例１〜３および比較例１、２の
各窒化ケイ素回路基板をそれぞれ用いて形成したモジュ
ールを、−40℃〜室温〜＋125℃を１サイクルとして100
0サイクルの冷熱サイクル試験にかけた、その結果、実
施例１〜３の回路基板を配したモジュールでは含浸させ
たＣｕ９による接合が強固で窒化ケイ素基板２と放熱基
板６（ヒートシンク８またはパッケージ12）の接合面は
健全に保持され、熱サイクル寿命が長く接合信頼性の高
いものが得られた。また、窒化ケイ素基板２と放熱基板
６が一体に接合された状態で小サンプルを切り出し、そ
の小サンプル全体の熱伝導率を測定した結果、セラミッ
クス単体もしくはＣｕ−ＳｉＣ系複合材料単体に近似し
た熱伝導率が得られた。このことからセラミックス基板
２と放熱基板６の間にはんだが介在することにより問題
となる熱抵抗を抑えられることが確認できた。これに対
し、比較例１ではＡｌ回路ならびにＡｌ−ＳｉＣ系放熱
基板での熱抵抗が高く放熱性に問題があり、また比較例
２ではセラミックス基板と放熱基板との間にはんだが介
在するためモジュール全体での熱抵抗が更に高くなり、
上記実施例に比べて劣っていた。なお製造条件を適宜選
択すれば、本発明の回路基板における前記熱抵抗を0.55
℃/W以下、好ましくは0.45℃/W以下にし、半導体チツプ
での発熱を速やかに放熱することが可能になる。
各窒化ケイ素回路基板をそれぞれ用いて形成したモジュ
ールを、−40℃〜室温〜＋125℃を１サイクルとして100
0サイクルの冷熱サイクル試験にかけた、その結果、実
施例１〜３の回路基板を配したモジュールでは含浸させ
たＣｕ９による接合が強固で窒化ケイ素基板２と放熱基
板６（ヒートシンク８またはパッケージ12）の接合面は
健全に保持され、熱サイクル寿命が長く接合信頼性の高
いものが得られた。また、窒化ケイ素基板２と放熱基板
６が一体に接合された状態で小サンプルを切り出し、そ
の小サンプル全体の熱伝導率を測定した結果、セラミッ
クス単体もしくはＣｕ−ＳｉＣ系複合材料単体に近似し
た熱伝導率が得られた。このことからセラミックス基板
２と放熱基板６の間にはんだが介在することにより問題
となる熱抵抗を抑えられることが確認できた。これに対
し、比較例１ではＡｌ回路ならびにＡｌ−ＳｉＣ系放熱
基板での熱抵抗が高く放熱性に問題があり、また比較例
２ではセラミックス基板と放熱基板との間にはんだが介
在するためモジュール全体での熱抵抗が更に高くなり、
上記実施例に比べて劣っていた。なお製造条件を適宜選
択すれば、本発明の回路基板における前記熱抵抗を0.55
℃/W以下、好ましくは0.45℃/W以下にし、半導体チツプ
での発熱を速やかに放熱することが可能になる。
【００２９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の回路基板は
窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系放熱基板とがＣｕによ
り一体的に接合されてなるので製作工数が格段に短縮さ
れ製造コストが安価になり品質を向上することができ
る。同時に窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系放熱基板と
の接合界面の熱抵抗を顕著に低減することができる。
窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系放熱基板とがＣｕによ
り一体的に接合されてなるので製作工数が格段に短縮さ
れ製造コストが安価になり品質を向上することができ
る。同時に窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系放熱基板と
の接合界面の熱抵抗を顕著に低減することができる。
【図１】本発明の回路基板の一態様を示す断面図であ
る。
る。
【図２】本発明の回路基板の別の態様を示す断面図であ
る。
る。
【図３】本発明の回路基板の更に別の態様を示す断面図
である。
である。
【図４】従来の回路基板を示す断面図である。
１ 窒化ケイ素回路基板、２ 窒化ケイ素基板、３ Ｃ
ｕ回路板、４ Ｃｕ板、 ５ 半導体チップ、６ 放熱
基板、７ はんだ、８ ヒートシンク、９ Ｃｕ、 10
ねじ、11 Ｃｕ回路、12 パッケージ、13 ヒートシ
ンク。
ｕ回路板、４ Ｃｕ板、 ５ 半導体チップ、６ 放熱
基板、７ はんだ、８ ヒートシンク、９ Ｃｕ、 10
ねじ、11 Ｃｕ回路、12 パッケージ、13 ヒートシ
ンク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 1/02 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ 1/03 ６１０ Ｃ０４Ｂ 35/58 １０２Ｙ 7/20 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｄ (72)発明者 祖父江 昌久 埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地日立金属株式 会社先端エレクトロニクス研究所 Ｆターム(参考） 4G001 BA32 BB32 BC71 BD03 BD14 BD23 4G026 BA17 BB14 BC01 BF34 BG02 BH07 5E322 AA11 5E338 AA18 BB71 EE02 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06 BD01 BD11
Claims (11)
- 【請求項１】 窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材
料からなる放熱部材とがＣｕを介して一体的に接合され
てなることを特徴とする窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項２】 窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材
料からなる放熱部材とが前記Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料に
含浸されたＣｕを介して接合されてなることを特徴とす
る窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項３】 Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料に含浸されたＣ
ｕにより窒化ケイ素基板の表面にＣｕ回路部を形成して
なる請求項２に記載の窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項４】 Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料からなる放熱部
材が放熱基板、ヒートシンクまたはパッケージである請
求項１〜３のいずれかに記載の窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項５】 別個に設けたヒートシンクを付設してな
る請求項１〜４のいずれかに記載の窒化ケイ素回路基
板。 - 【請求項６】 窒化ケイ素基板とＣｕ−ＳｉＣ系複合材
料からなる放熱部材との接合面間に介在するＣｕの厚さ
が10〜100μｍである請求項１〜５のいずれかに記載の
窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項７】 Ｃｕが純ＣｕまたはＣｕ合金である請求
項１〜６のいずれかに記載の窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項８】 Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料のＣｕ含有量が
10〜80体積％である請求項１〜７のいずれかに記載の窒
化ケイ素回路基板。 - 【請求項９】 Ｃｕ−ＳｉＣ系複合材料の熱膨張係数が
５×10−６〜16×10 −６/Kであり、熱伝導率が150〜390
W/(m・K)である請求項１〜８のいずれかに記載の窒化ケ
イ素回路基板。 - 【請求項１０】 窒化ケイ素基板の熱伝導率が80W/(m・
K)以上であり、曲げ強度が600MPa以上である請求項１〜
９のいずれかに記載の窒化ケイ素回路基板。 - 【請求項１１】 窒化ケイ素基板とＳｉＣ粉末で形成さ
れた多孔質プリフォームとを隣接させ、次に前記プリフ
ォームの多孔質空隙部に溶融したＣｕを含浸させ、次い
で凝固することにより窒化ケイ素基板とＳｉＣ粉末で形
成された多孔質プリフォームとをＣｕにより一体に接合
することを特徴とする窒化ケイ素回路基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001156065A JP2002353389A (ja) | 2001-05-24 | 2001-05-24 | 窒化ケイ素回路基板およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001156065A JP2002353389A (ja) | 2001-05-24 | 2001-05-24 | 窒化ケイ素回路基板およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002353389A true JP2002353389A (ja) | 2002-12-06 |
Family
ID=19000127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001156065A Pending JP2002353389A (ja) | 2001-05-24 | 2001-05-24 | 窒化ケイ素回路基板およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002353389A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010283253A (ja) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd | 発光装置及び発光装置用基板 |
-
2001
- 2001-05-24 JP JP2001156065A patent/JP2002353389A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010283253A (ja) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd | 発光装置及び発光装置用基板 |
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