JP2003086747A - 絶縁回路基板とその製法およびそれを用いた半導体パワー素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】使い勝手が良く、低熱抵抗で高信頼性の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の提供。 【解決手段】回路板と放熱板の間に、セラミックス板を
設けた熱拡散板を１層以上配置した基板で、前記熱拡散
板を半導体パワー素子の通電路とし、必要に応じ熱拡散
板中に冷却用の水路を設けた構造の絶縁回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体パワー素子を
実装したパワーモジュールに用いられる放熱用の絶縁回
路基板係わり、特に、低熱抵抗，高信頼性の絶縁回路基
板に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体パワー素子の用いられる放熱基板
は、回路板、セラミックス板および放熱板の積層体より
なる絶縁回路基板を、Ａｌ−ＳｉＣ複合材よりなるヒー
トシンク板へＡｌ−Ｓｉ系のろう材で接合したものが特
開平１０−６５０７５号公報等で知られている。これら
の放熱基板は、高価なヒートシンク板を使用する必要が
あった。

【０００３】一方、このようなヒートシンク板を使用し
ないで、回路板、セラミックス板および放熱板の積層体
よりなる絶縁回路基板を単体でパワーモジュールを実装
する方法が特開平１１ー３３０３１１号公報に開示され
ている。なお、これにはセラミックス板として窒化ケイ
素が適用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヒートシンク板を使用
しないで、回路板、セラミックス板および放熱板の積層
体よりなる絶縁回路基板単体で、パワーモジュールを実
装する方法には、使い勝手や信頼性に関して、次のよう
な問題があった。

【０００５】（ａ） セラミックス板へ比較的強度の高
い窒化ケイ素を用いるときは、窒化ケイ素自体の熱伝導
率が８０Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため、絶縁回路基板の熱抵
抗が大きくなると云う問題があった。なお、セラミック
ス板に熱伝導率のより小さいアルミナを用いると、絶縁
回路基板としての熱抵抗が一層大きくなった。

【０００６】（ｂ） 前記熱抵抗を小さくする目的で回
路板や放熱板を厚くすると、セラミックス板は回路板形
状による曲げ応力を受け、過酷なヒートサイクル（−４
０℃⇔＋１２０℃）で割れると云う問題があった。な
お、セラミックス板へ熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋと比
較的大きい窒化アルミニウムを用いる場合にも、窒化ア
ルミニウム自体の強度が窒化ケイ素の約半分と小さいた
めに、回路板や放熱板を厚くするとセラミックス板が割
れると云う問題があった。

【０００７】（ｃ） 回路板、セラミックス板および放
熱板の積層体よりなる絶縁回路基板単体のトータル厚さ
は高々１ｍｍと薄いため、絶縁回路基板が反り易く、か
つ、剛性も小さい。その結果、ヒートシンク板を用いな
いパワーモジュール実装時の使い勝手が悪かった。

【０００８】（ｄ） 従来の絶縁回路基板単体には、半
導体パワー素子の通電路について開示されていなかっ
た。

【０００９】（ｅ） 従来の絶縁回路基板単体には、半
導体パワー素子を冷却する水路が開示されていなかっ
た。

【００１０】（ｆ） 従来の絶縁回路基板単体には、冷
却部材への装着性が示されていなかった。

【００１１】このように、従来の絶縁回路基板には使い
勝手や信頼性に関していろいろな問題を抱えていた。

【００１２】本発明の目的は、上記に鑑み、使い勝手が
良く、低熱抵抗で高信頼性の半導体パワー素子用の絶縁
回路基板を提供にある。

【００１３】本発明の他の目的は、上記の絶縁回路基板
を用いた高信頼性の半導体パワー素子の提供にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００１５】（１） 回路板、第１のセラミックス板、
熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板の積層体
により形成した絶縁回路基板にある。

【００１６】上記熱拡散板で熱を横方向に広げることに
より、前記セラミックス板に低熱伝導率の窒化ケイ素や
アルミナを使用しても、絶縁回路基板の熱抵抗を低減す
ることができる。

【００１７】また、絶縁回路基板を積層体としたことで
その剛性が増加し、熱抵抗を小さくする目的で回路板や
放熱板を厚くしても、セラミック基板に発生する応力の
増加を抑制することができる。

【００１８】その結果、セラミックス板に、高強度の窒
化ケイ素の代わりに、これより低強度の窒化アルミニウ
ムやアルミナを用いた場合でも、過酷なヒートサイクル
によるセラミックス板の割れを防止することが可能にな
る。

【００１９】（２） 上記絶縁回路基板の熱抵抗を下げ
ることとセラミックス板の割れ防止とを両立させるに
は、回路板、第１のセラミックス板、熱拡散板、第２の
セラミックス板および放熱板よりなる絶縁回路基板にお
いて、 熱拡散板の厚さを最も厚くする、 第１のセラミックス板および第２のセラミックス板
の厚さをほぼ同じとし、かつ、これらの厚さが熱拡散板
の厚さの５０％以下とすることが望ましい。

【００２０】（３） さらに、熱拡散板の積層枚数を多
くし、回路板、第１のセラミックス板、第１の熱拡散
板、第２のセラミックス板、第２の熱拡散板、第３のセ
ラミックス板および放熱板の積層体構造よりなる絶縁回
路基板、あるいは、回路板、第１のセラミックス板、第
１の熱拡散板、第２のセラミックス板、第２の熱拡散
板、第３のセラミックス板、第３の熱拡散板、第４のセ
ラミックス板および放熱板の積層体構造よりなる絶縁回
路基板も、上記と同様な理由により有効であった。

【００２１】また、回路板と放熱板の間に、両面にセラ
ミックス板を設けた熱拡散板を少なくとも１層以上介在
させることにより、熱抵抗や信頼性を損なうことなく、
絶縁回路基板単体のトータル厚さを従来品より厚くする
ことができる。

【００２２】その結果、絶縁回路基板単体のトータル厚
さを２ｍｍ以上と厚くすることも可能となり、絶縁回路
基板の反りを抑制し、かつ、剛性を増加させることで
き、ヒートシンク板を使用しないパワーモジュール実装
時の使い勝手が向上した。

【００２３】（４） 両面にセラミックス板を配置した
熱拡散板は、回路板や放熱板から電気的に絶縁されてい
るため、半導体パワー素子の通電路として使用すること
が可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。

【００２４】（５） 両面にセラミックス板を配置した
熱拡散板は、回路板から電気的に絶縁されていること、
また、熱拡散板を比較的厚くできること等により、熱拡
散板中に半導体パワー素子を冷却する水路を設けること
が可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。

【００２５】（６） 熱拡散板と放熱板とで第２のセラ
ミックス板を完全に覆うように、前記熱拡散板の端部と
前記放熱板の端部を一体化する。この比較的に肉厚が増
加した端部の一体化部分に、ネジ止め用の孔やＯリング
用の溝を設けることで、絶縁回路基板の使い勝手が向上
した。

【００２６】さらに、端部の一体化部分で、絶縁回路基
板を冷却部材へ摩擦撹拌溶接によって簡単に気密接合で
きるようになった。その結果、冷却部材への装着性が向
上した。

【００２７】上記により、使い勝手が良く、高信頼性の
絶縁回路基板並びに半導体パワー素子を実現することが
できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。

【００２９】〔実施例 １〕図１は本実施例の半導体パ
ワー素子用の絶縁回路基板の一例を示す模式断面図であ
る。絶縁回路基板は回路板１、第１のセラミックス板
２、熱拡散板３、第２のセラミックス板４および放熱板
５を積層した構造のもので、これらの積層体は活性金属
やＡｌ合金系のろう材６を用いて接合されている。

【００３０】前記積層体は高真空中あるいは不活性雰囲
気中で接合され、ろう材６にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性
金属を用いたときは約８００℃以上、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系のＡｌ合金を用いたときは約６００℃以上で強固に接
合される。

【００３１】なお、回路板１、熱拡散板３および放熱板
５は、高熱伝導性を有し、かつ、電気抵抗の小さいＣ
ｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金中のいずれかの材料が用
いられる。

【００３２】また、第１のセラミックス板２および第２
のセラミックス板４は、低熱膨張特性を有し、絶縁抵抗
の高い窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ中のい
ずれかの材料が用いられる。ここで、窒化ケイ素，窒化
アルミニウム，アルミナの熱伝導率は、それぞれ８０Ｗ
／ｍ・Ｋ，１７５Ｗ／ｍ・Ｋ，３６Ｗ／ｍ・Ｋであるこ
とが知られている。

【００３３】本絶縁回路基板における熱拡散板３の効果
は後述するように、回路板１上に実装した半導体パワー
素子の熱を熱拡散板３で横方向に広げることにより絶縁
回路基板自体の熱抵抗を低減できる。

【００３４】また、絶縁回路基板のトータル厚さが増す
ことによって、その剛性が増加するので、熱抵抗を小さ
くする目的で回路板や放熱板を厚くしても、回路板形状
によって第１のセラミックス板２および第２のセラミッ
クス板４に発生する最大主応力の増加を抑制することが
できる。

【００３５】図２は、上記半導体パワー素子用の絶縁回
路基板の平面図である。なお、後述する同一符号の要素
は全て同じ機能を有するものとして、以下の説明を行う
ことにする。

【００３６】図２における回路板１は、絶縁回路基板の
ほぼ中央で２個に分割した例である。なお、回路板１は
ユーザの使用目的に応じて種々の形状に分割することが
できる。回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板
３，第２のセラミックス板４および放熱板５の積層体よ
りなる絶縁回路基板は、積層体を構成する各材料の熱膨
張係数が異なるため、ろう材６で接合した後に絶縁回路
基板の各部に残留応力が発生する。図２の場合、第１の
セラミックス板２および第２のセラミックス板４に発生
する最大の残留主応力は、回路板形状の影響を受ける回
路板分離部１００で生じる。

【００３７】次に、図３は、従来の半導体パワー素子用
の絶縁回路基板の例を示す模式断面図である。

【００３８】図３に示すように、従来の絶縁回路基板は
回路板１、セラミックス板２および放熱板５の積層体を
活性金属やＡｌ合金系のろう材６を用いて接合したもの
である。この場合も、セラミックス板２に発生する最大
の残留主応力は、回路板の形状の影響を受ける回路板分
離部１００で生じる。

【００３９】この従来型絶縁回路基板におけるセラミッ
クス板２に発生する最大主応力の解析例を図４のグラフ
に示す。セラミックス板２の素材として厚さ０.６３５
ｍｍの窒化ケイ素を用い、回路板１の厚さと放熱板５の
厚さを変えた場合の最大主応力の変化を示したものであ
る。

【００４０】横軸の数値は、回路板１の厚さを分子に、
放熱板５の厚さを分母としている。なお、分母の放熱板
５の厚さを分子の回路板１の厚さよりも薄くするのは、
絶縁回路基板自体の反り量を低減するために有効な手法
として知られている。

【００４１】セラミックス板２に窒化ケイ素を用いたと
き、この材料の曲げ強度は約５０ＭＰａで、図４中点線
で示した。図に示すように、回路板１／放熱板５の値が
大きくなるにつれて、セラミックス板２に残留する最大
主応力は増加し、セラミックス板２を構成する窒化ケイ
素の曲げ強度に接近することが分かる。

【００４２】絶縁回路基板を過酷なヒートサイクル（−
４０℃⇔＋１２０℃）のもとで使用し、例えば、１００
０サイクル以上の信頼性を確保するためには、セラミッ
クス板２に残留する最大主応力をセラミックス板２を構
成する素材の曲げ強度のおよそ５０％以下にする必要が
あった。

【００４３】従って、従来構造の絶縁回路基板において
は、回路板１および放熱板５の素材としてＣｕやＣｕ合
金を用いたＣｕ回路板、ＡｌやＡｌ合金を用いたＡｌ回
路板を適用したときの回路板２／放熱板５の限界の肉厚
は、セラミックス板２が窒化ケイ素であるときは、それ
ぞれ０.４ｍｍ／０.３ｍｍ，０.６ｍｍ／０.４ｍｍであ
った。

【００４４】一方、セラミックス板２に曲げ強度が約３
５０ＭＰａの窒化アルミニウムを用いたときの最大主応
力は図４には記載していないが、窒化アルミニウムへＣ
ｕ回路板およびＡｌ回路板を適用したときの回路板２／
放熱板５の限界の肉厚は、それぞれ０.３ｍｍ／０.２ｍ
ｍ，０.４ｍｍ／０.３ｍｍと窒化ケイ素の場合より薄く
なった。

【００４５】なお、ＣｕやＣｕ合金およびＡｌやＡｌ合
金の熱伝導率はそれぞれ約３９８Ｗ／ｍ・Ｋ，２２０Ｗ
／ｍ・Ｋとセラミックス板２の熱伝導率より大きい。そ
れ故、回路板２／放熱板５の肉厚が厚いほど、半導体パ
ワー素子で発生した熱は回路板２／放熱板５の部分で、
より横方向に拡散するため、絶縁回路基板自体の熱抵抗
は小さくなる。しかし、絶縁回路基板の信頼性を確保す
るために、従来型絶縁回路基板における回路板２／放熱
板５の高肉厚化には、前記のような限界があった。

【００４６】図１に示す本発明による絶縁回路基板にお
けるセラミックス板２およびセラミックス板４に発生す
る最大主応力の解析例を図５に示す。

【００４７】図５は回路板１の厚さが１.０ｍｍ、放熱
板５の厚さが０.８ｍｍで、セラミックス板２およびセ
ラミックス板４に厚さ０.３２ｍｍの窒化ケイ素を適用
し、熱拡散板３の厚さを変えたときの最大主応力の変化
を示したものである。なお、図中には回路板１と放熱板
５がＣｕあるいはＣｕ合金で構成されるときの絶縁回路
基板の反り量の変化も記載した。

【００４８】図５に示すように、セラミックス板２およ
びセラミックス板４に生じる最大主応力は、共に熱拡散
板３の厚さが増加するにつれて減少する。そして、回路
板１および放熱板５にＣｕやＣｕ合金を用いたＣｕ回路
板の方が、ＡｌやＡｌ合金を用いたＡｌ回路板の場合よ
り、セラミックス板に生じる最大主応力は熱拡散板３の
厚さが増したとき急激に減少した。これは、Ｃｕ回路板
のヤング率がＡｌ回路板のヤング率より大きく、かつ、
セラミックス板の素材である窒化ケイ素のヤング率に近
いからである。

【００４９】セラミックス板に発生する最大主応力が点
線で示した窒化ケイ素の５０％以下になるときの熱拡散
板３の厚さは、Ｃｕ回路板の場合でおよそ０.６ｍｍ以
上、Ａｌ回路板の場合でおよそ０.２ｍｍ以上であるこ
とが分かる。

【００５０】なお、図５は窒化ケイ素よりなるセラミッ
クス板２およびセラミックス板４の厚さが、同じ０.３
２ｍｍのときの解析例であり、この場合はセラミックス
板２に発生する最大主応力は、セラミックス板４に発生
する最大主応力の約２倍であったが、図には大きいほう
の主応力値を記載した。このことは、セラミックス板４
の厚さをセラミックス板２より薄くできることを示唆し
ている。

【００５１】絶縁回路基板の生産性を考慮した場合、セ
ラミックス板２とセラミックス板４の厚さを同じにすべ
きであり、信頼性の限界設計を考慮するならセラミック
ス板２よりセラミックス板４の厚さを薄くすべきであ
る。そして、絶縁回路基板の限界設計を行ったときに、
絶縁回路基板の熱抵抗がより小さくなることは述べるま
でもない。

【００５２】セラミックス板に生じる最大主応力が熱拡
散板３の厚さが増すにつれて減少するのは、熱拡散板３
の厚さが増加するに伴い絶縁回路基板のトータル厚さが
増すことによって、絶縁回路基板自体の剛性が大きくな
るからである。

【００５３】図５に示すように、絶縁回路基板の剛性が
大きくなる故、熱拡散板３の厚さが増すにつれて、絶縁
回路基板の反り量が減少する。絶縁回路基板自体の反り
量が小さいことは非常に重要なことである。例えば、本
絶縁回路基板をグリースを介して冷却部材に実装すると
き、実使用状態での熱抵抗を下げる点からも有利なこと
である。

【００５４】なお、図５はセラミックス板の素材が窒化
ケイ素であるときの解析例を示したものであるが、窒化
アルミニウムやアルミナを用いたときも同様に、セラミ
ックス板に生じる最大主応力は、熱拡散板３の厚さが増
加するにつれて減少した。

【００５５】本発明による絶縁回路基板におけるセラミ
ックス板２およびセラミックス板４に発生する最大主応
力の他の解析例を図６に示す。図６は熱拡散板３の厚さ
が１.０ｍｍで、セラミックス板２およびセラミックス
板４に厚さ０.３２ｍｍの窒化ケイ素を適用し、回路板
１の厚さと放熱板５の厚さを変えたときの最大主応力の
変化を示したものである。

【００５６】横軸には回路板１の厚さを分子に、放熱板
５の厚さを分母として示す。セラミックス板２に窒化ケ
イ素を用いたとき、この材料の曲げ強度は約６５０ＭＰ
ａであり、図６中に点線で示した。

【００５７】図６に示すように、回路板１／放熱板５の
厚さが厚くなるにつれて、セラミックス板に残留する最
大の主応力は増加するが、全ての回路板２／放熱板５の
肉厚に対してＣｕ回路板の場合もＡｌ回路板の場合も、
セラミックス板に発生する最大主応力を窒化ケイ素の曲
げ強度の５０％以下にすることが容易であった。

【００５８】そして、この窒化アルミニウムへＣｕ回路
板およびＡｌ回路板を適用したときの回路板２／放熱板
５の限界肉厚を、共に０.８ｍｍ／０.６ｍｍ以上にする
ことも可能であり、過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔
＋１２０℃）下で使用しても信頼性を確保することがで
きた。

【００５９】なお、本発明による絶縁回路基板の場合、
図５，図６から分かるように、回路板１，第１のセラミ
ックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４およ
び放熱板５の中で、熱拡散板３の厚さが最も厚いこと、
また、第１のセラミックス板２および第２のセラミック
ス板４の厚さは、ほぼ同じで、かつ、これらの厚さが熱
拡散板３の厚さの少なくとも５０％以下であること、さ
らに、絶縁回路基板単体のトータル厚さを２ｍｍ以上と
厚くすることなどが望ましいことを示唆している。

【００６０】〔実施例 ２〕図７は、本発明の半導体パ
ワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図
である。

【００６１】絶縁回路基板を冷却するための水路７を熱
拡散板３に設けた。既述したように、熱拡散板３を容易
に厚く（例えば、１ｍｍ以上）できるので、熱拡散板３
の中に水路７を配置することが可能となった。このよう
に、両面にセラミックス板２とセラミックス板４を配置
した熱拡散板３は、回路板１から電気的に絶縁されてい
ること、また、熱拡散板３を比較的に厚くできることに
より、熱拡散板３中に半導体パワー素子を冷却する水路
７を設けることが可能となり、絶縁回路基板の使い勝手
が向上した。

【００６２】〔実施例 ３〕図８は、本発明の半導体パ
ワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図
である。

【００６３】回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡
散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５の積層
体よりなり、活性金属やアルミ合金系などのろう材を用
いない製法により製造した絶縁回路基板である。

【００６４】以下に、その製法について説明する。最初
に金型内の所定の位置へ第１のセラミックス板２と第２
のセラミックス板４をセットする。次に、回路板１，熱
拡散板３および放熱板５となる溶融Ａｌあるいは溶融Ａ
ｌ合金を金型内に高圧で注入する。注入後、前記溶融Ａ
ｌあるいは溶融Ａｌ合金を冷却して固体化する。

【００６５】最後に、回路板１，第１のセラミックス板
２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板
５よりなる積層体を前記金型より取り出すことによっ
て、図８の絶縁回路基板が得られる。

【００６６】なお、回路板１，熱拡散板３および放熱板
５の素材として融点が５７５〜６１０℃であるＡｌ−７
％，Ｓｉ−０.３〜０.５％，ＭｇよりなるＡｌ合金を用
いたとき、前記溶融Ａｌ合金を６２０℃以上で金型内へ
数ＭＰａの高圧で注入した。そして、Ａｌ合金部の温度
が５５０℃以下になったとき、絶縁回路基板を金型から
取り出した。

【００６７】この製法により得られる絶縁回路基板はろ
う材がなくても、回路板１，熱拡散板３および放熱板５
は、第１のセラミックス板２および第２のセラミックス
板４と強固に接合することができ、過酷なヒートサイク
ル（−４０℃⇔＋１２０℃）下でも剥離などのトラブル
は生じなかった。

【００６８】〔実施例 ４〕図９は、本発明の半導体パ
ワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図
である。

【００６９】本実施例は図８と同様に、ろう材不要の製
法で作製した絶縁回路基板であり、熱拡散板と放熱板と
で第２のセラミックス板４を完全に覆うように、前記熱
拡散板の端部と前記放熱板の端部を一体化した点が特徴
である。図９において、熱拡散板相当部２００と、放熱
板相当部３００とを有し、熱拡散板の端部と放熱板の端
部を一体化した部分を８で示した。なお、端部の一体化
部分８は高肉厚であり、その厚さは１ｍｍ以上、望まし
くは１.５ｍｍ以上である。

【００７０】熱拡散板部と放熱板部が電気的に導通して
いても良い半導体パワー素子の実装形態もあり、この場
合は第２のセラミックス板４を熱散板相当部２００と放
熱板相当部３００の間に埋没させても差し支えない。

【００７１】〔実施例 ５〕図１０は、本発明の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面
図である。

【００７２】本実施例は、図９の絶縁回路基板へネジ用
の孔１０やＯリング用の溝９を設けたものである。端部
の一体化部分８は高肉厚であるために、この部分へネジ
用の孔１０やＯリング用の溝９を設けることが容易にな
る。その結果、パワーモジュール実装時における絶縁回
路基板の使い勝手が向上した。

【００７３】〔実施例 ６〕図１１は、本発明の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面
図である。

【００７４】本実施例は、図９に示した絶縁回路基板の
熱拡散板相当部２００に本絶縁回路基板を冷却するため
の水路１１を設けた実施例である。熱拡散板相当部２０
０を容易に厚く（例えば、１ｍｍ以上）できるので、熱
拡散板相当部２００中に水路１１の配置が可能となる。
なお、水路１１を設けた熱拡散板相当部２００と回路板
１は、第１のセラミックス板２によって電気的に絶縁さ
れている。

【００７５】このように、絶縁回路基板中に半導体パワ
ー素子を冷却するための水路１１を設けることが可能と
なり、本絶縁回路基板の使い勝手が向上した。

【００７６】〔実施例 ７〕図１２は、本発明の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の実装状態の一例を示す模
式断面図である。

【００７７】本実施例は、図９に示した絶縁回路基板を
水路１２を有する冷却部材１３へ気密に実装した例であ
る。端部の一体化部分８の下面４００部で、冷却部材１
３に摩擦撹拌溶接によって接合したものである。

【００７８】本実施例の端部の一体化部分８はＡｌある
いはＡｌ合金よりなるため、冷却部材１３が銅あるいは
Ａｌ系などの軟質の材料で構成されるとき、周知の摩擦
撹拌溶接が可能になる。

【００７９】なお、周知の摩擦撹拌溶接とはバーナ等で
接合部を高温に加熱する必要が全くなく、室温雰囲気中
で気密に接合できる技術である。このように、端部の一
体化部分８へ摩擦撹拌溶接によって冷却部材１３を簡単
に気密接合できるようになり、絶縁回路基板の使い勝手
が向上した。

【００８０】〔実施例 ８〕図１３は、本発明の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面
図である。

【００８１】本実施例は図１と同様の回路板１，第１の
セラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板
４および放熱板５の積層体よりなる絶縁回路基板におい
て、第１のセラミックス板２，熱拡散板３および第２の
セラミックス板４の平面的な寸法を変えたものである。
第１のセラミックス板２と第２のセラミックス板４間の
熱拡散板３をその端部５００において露出させた構造で
ある。

【００８２】図１４は、図１３の絶縁回路基板の実装例
を示す模式断面図である。半導体パワー素子１５が半田
１６を介して回路板１の上に接合されている。そして、
熱拡散板３の露出端部５００と半導体パワー素子１５が
導線１４で電気的に接続されている。こうすることによ
り、熱拡散板３を半導体パワー素子１５の通電路として
使用することが可能になる。

【００８３】この場合、パワーモジュール全体を小型化
できるなどの優れた効果があり、絶縁回路基板の使い勝
手が向上した。

【００８４】図１５は、図１３に記載した絶縁回路基板
の平面図の例を示す。第１のセラミックス板２の上に接
合された回路板１の形状は３個に分割されている。第２
のセラミックス板４の上に接合された熱拡散板３が１個
の場合を図１５（Ａ）、２個に分割されている場合を図
１５（Ｂ）、３個に分割されている場合を図１５（Ｃ）
に示した。

【００８５】いずれの場合も、熱拡散板３を半導体パワ
ー素子の通電路として使用することができる。例えば、
図１５（Ａ）の場合、熱拡散板３を半導体パワー素子の
＋側通電路あるいは−側通電路のいずれかに使用するこ
とができる。

【００８６】図１５（Ｂ）の場合、熱拡散板３ａ，熱拡
散板３ｂの一方を半導体パワー素子の＋側通電路、他方
を−側通電路に使用することができる。

【００８７】半導体パワー素子がパワーＭＯＳよりなる
ときは、図１５（Ｃ）の場合が有効で、熱拡散板３ａ、
熱拡散板３ｂおよび熱拡散板３ｃをそれぞれエミッタ
側、ベース側およびコレクタ側の通電路として使用する
ことができる。

【００８８】〔実施例 ９〕図１６は、本発明の半導体
パワー素子用の絶縁回路基板の他の一を示す模式断面図
である。

【００８９】本実施例は熱拡散板を２枚にしたもので、
回路板１，第１のセラミックス板２，第１の熱拡散板
３，第２のセラミックス板４，第２の熱拡散板１７，第
３のセラミックス板１８および放熱板５の積層体構造よ
り形成されたものである。

【００９０】第１のセラミックス板２，第２のセラミッ
クス板４および第３のセラミックス板１８の厚さはほぼ
同じで、第１の熱拡散板３および第２の熱拡散板１７の
厚さの５０％以下にすることが有効であった。そして、
図１６の場合も低熱抵抗で高信頼性の絶縁回路基板を実
現することができた。なお、図１６には溶融Ａｌあるい
は溶融Ａｌ合金を金型内に高圧注入する方法で作製した
ものを示したが、前記積層体を活性金属やＡｌ合金系の
ろう材を用いて接合したものでもよい。

【００９１】〔実施例 １０〕図１７は、本発明の半導
体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断
面図である。

【００９２】本実施例は熱拡散板を３枚にしたものであ
り、回路板１，第１のセラミックス板２，第１の熱拡散
板３，第２のセラミックス板４，第２の熱拡散板１７，
第３のセラミックス板１８，第３の熱拡散板１９，第４
のセラミックス板２０および放熱板５の積層体構造より
なるものである。

【００９３】図１６と同様、第１のセラミックス板２，
第２のセラミックス板４，第３のセラミックス板１８お
よび第４のセラミックス板２０の厚さはほぼ同じで、第
１の熱拡散板３，第２の熱拡散板１７および第３の熱拡
散板１９の厚さの５０％以下にすることが有効であっ
た。

【００９４】また、図１６は溶融Ａｌあるいは溶融Ａｌ
合金を金型内に高圧注入する方法で作製したものを示し
たが、前記積層体を活性金属やＡｌ合金系のろう材を用
いて接合したものでもよい。

【００９５】〔実施例 １１〕図１８は、本発明の絶縁
回路基板の他の一例を示す模式断面図である。積層体構
造中の熱拡散板の枚数が１枚の場合を図１８（Ａ）、２
枚の場合を図１８（Ｂ）、３枚の場合を図１８（Ｃ）に
示した。

【００９６】セラミックス板と熱拡散板の平面的な寸法
を変えることによって、各々の熱拡散板の端部を露出さ
せたものである。こうすることによって、熱拡散板を半
導体パワー素子の通電路として使用することができる。

【００９７】例えば、図１８（Ａ）の場合、第１の熱拡
散板３を半導体パワー素子の＋側通電路あるいは−側通
電路のいずれかに使用することができる。

【００９８】図１８（Ｂ）の場合、第１の熱拡散板３お
よび第２の熱拡散板１７の一方を半導体パワー素子の＋
側通電路、他方を−側通電路に使用することができる。

【００９９】半導体パワー素子がパワーＭＯＳよりなる
ときは、図１８（Ｃ）の場合が有効で、第１の熱拡散板
３，第２の熱拡散板１７および第３の熱拡散板１９をそ
れぞれエミッタ側，ベース側およびコレクタ側の通電路
として使用することができる。

【０１００】このように、両面にセラミックス板を配置
した熱拡散板は、回路板１や放熱板５から電気的に絶縁
されているため、半導体パワー素子の通電路として使用
することが可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上
した。

【０１０１】〔実施例 １２〕図１９は、絶縁回路基板
をパワーモジュールへ実装した一例を示す模式断面図で
ある。図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）はそれぞれ従来
の絶縁回路基板および本発明による絶縁回路基板をグリ
ース２１を介して冷却部材２２へ装着したものである。
そして、回路板１の上には半田１６で半導体パワー素子
１５を接合している。

【０１０２】図１９（Ａ）の従来の絶縁回路基板を用い
た場合、通電によって半導体パワー素子１５に発生した
熱は半田１６→回路板１→セラミックス板２→放熱板５
→グリース２１を経て冷却部材２２へ伝えられる。

【０１０３】一方、図１９（Ｂ）の本発明による絶縁回
路基板を用いた場合、半導体パワー素子１５に発生した
熱は半田１６→回路板１→第１のセラミックス板２→熱
拡散板３→第２のセラミックス板４→放熱板５→グリー
ス２１を経て冷却部材２２へ伝えられる。熱拡散板３部
において熱は横方向に大きく拡散するので、半導体パワ
ー素子１５はより効果的に冷却される。それ故、本発明
による絶縁回路基板を用いた場合、通電による半導体パ
ワー素子１５の温度上昇は抑制され小さくなる。

【０１０４】〔実施例 １３〕図２０は、本発明の絶縁
回路基板を適用したパワーモジュールの熱抵抗の一例を
示すグラフである。

【０１０５】回路板１の厚さが０.６ｍｍ、窒化ケイ素
よりなる第１のセラミックス板２および第２のセラミッ
クス板４の厚さが共に０.３２ｍｍ、放熱板５の厚さが
０.４ｍｍである絶縁回路板において、熱拡散板３の厚
さを変えたときの熱抵抗の変化を示したものである。

【０１０６】１０ｍｍ角×厚さ０.５ｍｍの半導体パワ
ー素子１５を厚さ０.１ｍｍの半田１６（材料は５Ｓｂ
−Ｓｎ半田）で回路板１の上に接合し、図１９（Ｂ）に
示すように厚さ０.０５ｍｍのグリース２１を介して、
Ａｌよりなる厚さ３ｍｍの冷却部材２２へ実装したとき
の熱抵抗の実測値を示した。なお、熱抵抗は半導体パワ
ー素子１５の温度と冷却部材２２の最下面における温度
との差を、半導体パワー素子１５で発生した熱量Ｗ（ワ
ット）で割り算した値で定義した。

【０１０７】図２０に示すように、熱拡散板３の厚さ
（Ｔ）が増すにつれて熱抵抗は減少した。これは、前記
のように熱拡散板３部において熱が横方向に大きく拡散
した効果であり、熱拡散板３は厚いほどよいことを示唆
している。

【０１０８】なお、回路板１，熱拡散板３および放熱板
５がＣｕからなる場合をＣｕ回路板、Ａｌからなる場合
をＡｌ回路板として、それぞれ図２０中に示した。Ｃｕ
回路板の熱抵抗がＡｌ回路板より小さいのは、Ｃｕの熱
伝導率が３９８Ｗ／ｍ・ＫとＡｌの２２０Ｗ／ｍ・Ｋよ
り大きいためである。

【０１０９】〔実施例 １４〕図２１は、本発明の絶縁
回路基板の熱抵抗を示すグラフである。従来の絶縁回路
基板を図１９（Ａ）、本発明による絶縁回路基板を図１
９（Ｂ）に示す方法で実装したときの熱抵抗の実測値を
比較したものである。

【０１１０】回路板１の厚さと放熱板５の厚さを変えた
ときの熱抵抗を、横軸に回路板１の厚さを分子に、ま
た、放熱板５の厚さを分母とした時をパラメータとし
た。ここで、従来の絶縁回路基板におけるセラミックス
板２の厚さは０.６３５ｍｍ、本発明の絶縁回路基板に
おける第１のセラミックス板２および第２のセラミック
ス板４の厚さは共に０.３２ｍｍであり、その素材が窒
化ケイ素である場合を示した。また、本発明の絶縁回路
基板中の熱拡散板３の厚さは１.０ｍｍである。そし
て、回路板、熱拡散板および放熱板がＣｕで構成される
Ｃｕ回路板時の熱抵抗を比較した。

【０１１１】図２１に示すように、従来の絶縁回路基板
より本発明による絶縁回路基板の方の熱抵抗が小さく、
熱拡散板３の効果が大きいことが分かる。なお、回路板
１／放熱板５の厚さが厚いほど、従来の絶縁回路基板お
よび本発明の絶縁回路基板の熱抵抗が共に小さくなるの
は、回路板１および放熱板５部において熱が横方向に拡
散するからである。但し、過酷なヒートサイクル（−４
０℃⇔＋１２０℃）下でのセラミックス板の割れを防止
するには、前記したように、従来の絶縁回路基板では、
回路板１および放熱板５をあまり厚くすることはできな
い。

【０１１２】〔実施例 １５〕図２２は、本発明の絶縁
回路基板の熱抵抗の他の一例を示すグラフである。図２
１と同様に、従来の絶縁回路基板を図１９（Ａ）、本発
明の絶縁回路基板を図１９（Ｂ）に示す方法で実装した
ときの熱抵抗の実測値を示したものである。そして、図
２２は回路板，熱拡散板および放熱板がＡｌで構成され
るＡｌ回路板時の熱抵抗の比較を示したもので、その他
の条件は図２１の場合と同じである。

【０１１３】Ａｌ回路板時も図２１のＣｕ回路板時と同
様に、従来の絶縁回路基板より本発明の絶縁回路基板の
方の熱抵抗が小さく、熱拡散板３の効果の大きいことを
実測で確認できた。

【０１１４】

【発明の効果】本発明によれば、使い勝手が良く、低熱
抵抗で高信頼性の半導体パワー素子用の絶縁回路基板を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の
一例を示す摸式断面図である。

【図２】図１に示した絶縁回路基板の平面図である。

【図３】従来の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の一
例を示す摸式断面図である。

【図４】従来型絶縁回路基板のセラミックス板に発生す
る最大主応力の解析例を示すグラフである。

【図５】本発明の絶縁回路基板のセラミックス板に発生
する最大主応力の解析例を示すグラフである。

【図６】本発明の絶縁回路基板のセラミックス板に発生
する最大主応力の他の解析例を示すグラフである。

【図７】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の
一例を示す摸式断面図である。

【図８】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の
一例を示す摸式断面図である。

【図９】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の
一例を示す摸式断面図である。

【図１０】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１１】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１２】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１３】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１４】図１３の絶縁回路基板の実装例を示した図で
ある。

【図１５】図１３の絶縁回路基板の半導体パワー素子用
の絶縁回路基板の一例を示す平面図である。

【図１６】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１７】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１８】本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板
の一例を示す摸式断面図である。

【図１９】絶縁回路基板をパワーモジュールへ実装した
一例を示す摸式断面図である。

【図２０】本発明の絶縁回路基板をパワーモジュールへ
実装した一例を示した図である。

【図２１】本発明の絶縁回路基板の熱抵抗の一例を示す
グラフである。

【図２２】本発明の絶縁回路基板の熱抵抗の他の一例を
示すグラフである。

【符号の説明】

１…回路板、２…第１のセラミックス板、３，３ａ，３
ｂ，３ｃ…熱拡散板、４…第２のセラミックス板、５…
放熱板、６…接合ろう材、７，１１，１２…水路、８…
端部の一体化部分、９…Ｏリング用の溝、１０…ネジ用
の孔、１３…冷却部材、１４…導線、１５…半導体パワ
ー素子、１６…半田、１７…第２の熱拡散板、１８…第
３のセラミックス板、１９…第３の熱拡散板、２０…第
４のセラミックス板、２１…グリース、２２…冷却部
材、１００…回路板分離部、２００…熱拡散板相当部、
３００…放熱板相当部、４００…摩擦撹拌溶接部、５０
０…露出端部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗原 保敏 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 可昌 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 児玉 弘則 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (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内 (72)発明者 今村 寿之 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内 (72)発明者 大島 昌彦 福岡県北九州市若松区北浜一丁目９番１号 日立金属株式会社若松工場内 (72)発明者 濱吉 繁幸 福岡県北九州市若松区北浜一丁目９番１号 日立金属株式会社若松工場内 Ｆターム(参考） 5E322 AA11 AB02 EA11 FA04 5E338 AA01 AA18 BB63 BB71 BB75 CC01 CD11 EE01 EE02 5F036 AA01 BB08 BB41 BB45 BD01 BD03 BD13

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路板，第１のセラミックス板，熱拡散
   板，第２のセラミックス板および放熱板の積層体により
   形成したことを特徴とする絶縁回路基板。
2. 【請求項２】 前記熱拡散板の厚さを最も厚くした請求
   項１に記載の絶縁回路基板。
3. 【請求項３】 第１のセラミックス板および第２のセラ
   ミックス板の厚さをほぼ同じとし、これらの厚さが熱拡
   散板の厚さの５０％以下である請求項１に記載の絶縁回
   路基板。
4. 【請求項４】 回路板，熱拡散板および放熱板がＣｕ，
   Ｃｕ合金，ＡｌまたはＡｌ合金から成り、第１のセラミ
   ックス板および第２のセラミックス板は窒化ケイ素，窒
   化アルミニウムまたはアルミナから成る請求項１，２ま
   たは３に記載の絶縁回路基板。
5. 【請求項５】 回路板，第１のセラミックス板，熱拡散
   板，第２のセラミックス板および放熱板よりなる積層体
   が、活性金属ろう材またはＡｌろう材で接合されている
   請求項１〜４のいずれかに記載の絶縁回路基板。
6. 【請求項６】 熱拡散板に水路を設けた請求項１，２ま
   たは３に記載の絶縁回路基板。
7. 【請求項７】 熱拡散板と放熱板とで第２のセラミック
   ス板を完全に覆うよう前記熱拡散板の端部と前記放熱板
   の端部を一体化した請求項１，２または３に記載の絶縁
   回路基板。
8. 【請求項８】 熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化
   した部分に、ネジ止め用孔またはＯリング用溝を設けた
   請求項１，２または３に記載の絶縁回路基板。
9. 【請求項９】 熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化
   した部分で冷却部材へ摩擦撹拌溶接により気密に接合で
   きるよう構成した請求項１，２または３に記載の絶縁回
   路基板。
10. 【請求項１０】 回路板，第１のセラミックス板，第１
    の熱拡散板，第２のセラミックス板，第２の熱拡散板，
    第３のセラミックス板および放熱板の積層体により形成
    したことを特徴とする絶縁回路基板。
11. 【請求項１１】 回路板，第１のセラミックス板，第１
    の熱拡散板，第２のセラミックス板，第２の熱拡散板，
    第３のセラミックス板，第３の熱拡散板，第４のセラミ
    ックス板および放熱板の積層体により形成したことを特
    徴とする絶縁回路基板。
12. 【請求項１２】 金型内の所定の位置へ第１のセラミッ
    クス板と第２のセラミックス板をセットし、次いで、回
    路板、熱拡散板および放熱板となる溶融Ａｌまたは溶融
    Ａｌ合金を金型内に高圧注入後、前記溶融Ａｌまたは溶
    融Ａｌ合金を冷却固化し、回路板，第１のセラミックス
    板，熱拡散板，第２のセラミックス板および放熱板で構
    成される積層体を形成することを特徴とする絶縁回路基
    板の製法。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１１のいずれかに記載の絶
    縁回路基板の熱拡散板を、半導体パワー素子の通電路と
    したこと特徴とする半導体パワー素子。
14. 【請求項１４】 熱拡散板が平面的に２以上に分割され
    ており、分割された熱拡散板のそれぞれが半導体パワー
    素子の通電路とした請求項１３に記載の半導体パワー素
    子。
15. 【請求項１５】 請求項１〜１１に記載の絶縁回路基板
    を用いたことを特徴とするパワーモジュール。