JP2005093568A

JP2005093568A - 放熱部材並びに回路基板及び半導体部品

Info

Publication number: JP2005093568A
Application number: JP2003322306A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Tsuboi; 良樹坪井; Tetsuya Kato; 哲也加藤; Tomoo Tanaka; 智雄田中; Masaya Ito; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】発熱性電子部品の通電による発熱は、半導体素子の正常な動作を妨げたり回路基板に亀裂を生じさせる等のトラブル要因になるため、通常、銅板等の放熱部材が一体に設けられ、さらにその下面にヒートシンクが取付けられる。本発明の目的はヒートシンクとの密着性に優れた放熱部材を提供することにある。
【解決手段】金属等からなる放熱基板１ａの上下両面にセラミックス基板１ｂ，１ｃを接合し、JIS R1601規格に基づく４点曲げ試験の支点間スパンが３０mm、ポンチ間スパンが１０mmである時の曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であり且つ前記４点曲げ試験で負荷した荷重を除荷したときに荷重負荷前の形状に復帰する最大撓み量を弾性撓みとしたとき、該弾性撓みが２００μｍ以上である放熱部材１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子などの発熱性電子部品を搭載する放熱部材並びに回路基板及びそれらに半導体素子を組み付けた半導体部品に関する。

電気自動車、ハイブリッド車、家庭用機器のインバーター制御に用いられるＩＧＢＴ等に組み込まれるパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等のいわゆる発熱性電子部品は、文字通り通電により発熱する。この熱は半導体素子等の正常な動作を妨げたり、回路基板に亀裂を生じさせる等のトラブル要因になるため、通常、これら発熱性電子部品には銅板やアルミニウム板等の放熱部材が一体に設けられている。そして多くの場合、さらなる熱対策として前記放熱部材の下面にヒートシンクが取り付けられる。

放熱部材とヒートシンクの密着性が悪いと、放熱部材の放熱性能が十分発揮されないおそれがある。
ヒートシンクに対する放熱部材の密着を妨げる要因としては、ヒートシンクの歪みはもちろん、ヒートシンクと放熱部材の間に小さな異物が入り込むおそれについても考慮する必要がある。
このような密着阻害要因に対し、ヒートシンクの歪みに追随し或いは異物による変形を吸収する能力が放熱部材に備わっていれば、自己の放熱能力を最大限に発揮させることが可能になる。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的はヒートシンクとの密着性に優れた放熱部材並びに回路基板及び半導体部品を提供することにある。

請求項１記載のように、金属等からなる放熱基板の上下両面にセラミックス基板を接合し、 JIS R1601 規格に基づく４点曲げ試験の支点間スパンが３０mm、ポンチ間スパンが１０mmである時の曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であり且つ前記４点曲げ試験で負荷した荷重を除荷したときに荷重負荷前の形状に復帰する最大撓み量を弾性撓みとしたとき、該弾性撓みが２００μｍ以上である放熱部材を提供する。

請求項２記載のように、前記放熱基板がＡｌ製又はＡｌ合金製である請求項１記載の放熱部材を提供する。
請求項３記載のように、前記放熱基板がＣｕ製又はＣｕ合金製である請求項１記載の放熱部材を提供する。
請求項４記載のように、前記放熱基板が金属とセラミックスの複合材である請求項１記載の放熱部材を提供する。
請求項５記載のように、請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材の前記二枚のセラミックス基板のうちの何れか一方の外面に回路金属層を接合してなる回路基板を提供する。
請求項６記載のように、前記回路金属層がＡｌ製又はＡｌ合金製である請求項５記載の回路基板を提供する。
請求項７記載のように、前記回路金属層がＣｕ製又はＣｕ合金製である請求項５記載の回路基板を提供する。
請求項８記載のように、請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材又は請求項５乃至７の何れか一つに記載の回路基板に半導体素子を設けてなる半導体部品を提供する。

JIS R1601 規格に基づく４点曲げ試験の支点間スパンが３０mm、ポンチ間スパンが１０mmである時の曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であれば、放熱部材をヒートシンク等の取付部にネジなどの締め付けで固定しても破壊しない。そして前記４点曲げ試験で負荷した荷重を除荷したときに荷重負荷前の形状に復帰する最大撓み量を弾性撓みとしたとき、該弾性撓みが２００μｍ以上であれば、その弾性によりヒートシンクの歪みに追随し或いはヒートシンクとの間に異物が噛み込んでも必要な密着度が確保できる。
ちなみに前記曲げ強度が不足すると、ネジなどの締付時にセラミックス基板が破壊するおそれがあり、また、弾性が不足すると撓み不足による密着不良又は塑性変形して波打つことによる密着不良が発生する。
なお、本発明の放熱部材は、上下両面のセラミックス基板の材質や厚みを調整することにより意図的な反りを設けることも可能であり、そのような放熱部材自身の反りに対しても前記効果が当て嵌まる。
以上の効果は本発明の回路基板や半導体部品にももちろん当て嵌まる。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
放熱部材１は、図１の分解斜視図に示したように放熱基板１ａの上下両面にセラミックス基板１ｂ，１ｃを一体に接合してなり、四つの各コーナー部分にネジ挿通用の透孔２を有する。

前記放熱基板１ａは放熱性を備えていればどのようなものでもよいが、好ましくはＡｌ又はＡｌにＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたＡｌ合金、或いはＣｕ又はＣｕにＦｅ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から一種又は二種以上を加えたＣｕ合金、Ａｌ−ＳｉＣ等のような金属とセラミックスの複合材がよい。これらの材料は放熱性に優れしかも低コストだからである。
また、セラミックス基板１ｂ，１ｃは、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等で形成される。
前記放熱基板１ａとセラミックス基板１ｂ，１ｃは、例えばろう付け法、メタライズ法、ダイレクト・ボンド・カッパー法等の化学的接合手段により一体に接合される。

しかして前記放熱部材１の各構成部品の材質、寸法は、次のような機械的性質を充足するように決められる。すなわち、JIS R1601 規格に基づく４点曲げ試験（図５参照。）の支点間スパンＸ＝３０mm、ポンチ間スパンＹ＝１０mmである時の曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であり且つ前記４点曲げ試験で負荷した荷重を除荷したときに荷重負荷前の形状に復帰する最大撓み量を弾性撓みとしたとき、該弾性撓みが２００μｍ以上であること。例えば、放熱基板１ａを厚さ３ｍｍの銅板で形成し、一方、セラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ０.２ｍｍ〜０.５ｍｍの窒化珪素板で形成して夫々をろう付けして得られる放熱部材１は上記機械的性質を充足する。

図２は前記放熱部材１の一方（例えば図において上側）のセラミックス基板１ｂの外面に回路金属層３ａを一体に接合して回路基板３としたものである。前記回路金属層３ａはセラミックス基板１ｂに対し、例えばろう付け法、メタライズ法、ダイレクト・ボンド・カッパー法等の化学的接合手段により一体に接合される。回路金属層３ａの材料は、好ましくはＡｌ又はＡｌにＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたＡｌ合金、或いはＣｕ又はＣｕにＦｅ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から一種又は二種以上を加えたＣｕ合金等がよい。
この回路金属層３ａの上に半導体素子４ａ，４ａを半田付け等で設置することによりパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の半導体部品４が出来る。

以上のようにして形成した半導体部品４は、図３に示したようにヒートシンク５等の取付部に対し、放熱部材１の四コーナーに形成した透孔２にネジ６を通して固定する。この際、本発明の機械的性質を充足する放熱部材１はネジ６で締め付けても割れるおそれがなく、取付部に歪みがあったり異物が噛んでも適度に変形して取付部に対し必要十分に密着する。
なお、放熱部材１を取付部に固定するための固定手段は、透孔２にネジ６を通して締め付ける以外にも、例えば図４に示したようなクランプ部材７，７を使って放熱部材１の縁を取付部に押し付けるようにしてもよい。

前記放熱基板１ａを厚さ３ｍｍの銅板で形成し、セラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ０.５ｍｍの窒化珪素板で形成し、そのセラミックス基板１ｂ，１ｃを前記放熱基板１ａにＡｌ−Ｓｉ系のろう材によりろう付けして試料２を作製した。また、同様にセラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ０.３ｍｍにして試料３を作製し、さらにセラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ０.２ｍｍにして試料４を作製した。なお、比較のため、セラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ１ｍｍの窒化珪素板で形成したものを試料１とし、また、セラミックス基板１ｂ，１ｃを厚さ０.１５ｍｍの窒化珪素板で形成したものを試料５とした。
上記各試料１〜５の曲げ強度と最大撓み量を測定すると共に図６に示したように高さ３００μｍの異物８を中央に挟んでヒートシンク５に設置し、四コーナーをネジ６で締め付けてその状態を観察した。その結果を表１に示す。

表１に示されているように本発明の実施例である試料２〜４の放熱部材１は適度な弾性を発揮して実用上問題ない状態でヒートシンク５に密着した。一方、試料１の放熱部材は、最大撓み量が不足するためネジ６を規定トルクまで締め付けてもヒートシンク５から浮いた状態にとどまり、それよりさらに締め付けるとヒートシンク５に接する前に割れた。また、試料５の放熱部材は、曲げ強度が不足するためネジ６の締め付けトルクが規定値に達する前に割れた。

放熱部材の分解斜視図である。半導体部品の分解斜視図である。使用状態を示す正面図である。他の使用状態を示す正面図である。曲げ試験を示す概略の正面図である。ネジによる締め付け試験を示す正面図である。

符号の説明

１ …放熱部材
１ａ …放熱基板
１ｂ …セラミックス基板
１ｃ …セラミックス基板
３ …回路基板
３ａ …回路金属層
４ …半導体部品
４ａ …半導体素子
Ｘ …支点間スパン
Ｙ …ポンチ間スパン

Claims

金属等からなる放熱基板の上下両面にセラミックス基板を接合し、 JIS R1601 規格に基づく４点曲げ試験の支点間スパンが３０mm、ポンチ間スパンが１０mmである時の曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であり且つ前記４点曲げ試験で負荷した荷重を除荷したときに荷重負荷前の形状に復帰する最大撓み量を弾性撓みとしたとき、該弾性撓みが２００μｍ以上であることを特徴とする放熱部材。
前記放熱基板がＡｌ製又はＡｌ合金製であることを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
前記放熱基板がＣｕ製又はＣｕ合金製であることを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
前記放熱基板が金属とセラミックスの複合材であることを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材の前記二枚のセラミックス基板のうちの何れか一方の外面に回路金属層を接合してなることを特徴とする回路基板。
前記回路金属層がＡｌ製又はＡｌ合金製であることを特徴とする請求項５記載の回路基板。
前記回路金属層がＣｕ製又はＣｕ合金製であることを特徴とする請求項５記載の回路基板。
請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材又は請求項５乃至７の何れか一つに記載の回路基板に半導体素子を設けてなることを特徴とする半導体部品。