JP2010238753A

JP2010238753A - 放熱用部材およびこれを用いたモジュール

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Publication number: JP2010238753A
Application number: JP2009082546A
Authority: JP
Inventors: Akio Yuguchi; 章雄湯口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】絶縁性基板に対する導電板の位置精度が高く、さらに耐熱サイクル特性に優れた放熱用部材、およびこれを用いたモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁性基板と、一方主面が前記絶縁性基板の主面と接合された導電板と、を備えて構成された放熱用部材であって、前記導電板は、周面に、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線に沿って連続した、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線の双方よりも外側に突出した突出部を備えることを特徴とする放熱用部材を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、材放熱用部材およびこれを用いたモジュールに関する。

近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワーモジュールの変遷が進んでおり、半導体素子等を含む電子回路等から発生する熱量も増加している。この熱を効率よく放散させるため、良好な熱伝導を有するセラミックス基板上に、例えば銅板等の導体層が接合された放熱部材の導体層表面に、直接あるいはＮｉメッキ等の接合層を介して半導体素子等の電子回路等が実装されたモジュールが用いられている。このようなモジュールは、溶接機、電車の駆動部、電気自動車や燃料電池等に用いられており、厳しい環境条件下における耐久性と更なる小型化が要求されている。

下記特許文献１には、量産性に優れ、またセラミックス基板に対する銅回路板の位置精度が高く、さらに耐熱サイクル特性に優れた銅回路基板の製造方法として、複数の回路要素を、この回路要素より厚さが薄い複数のブリッジ部で相互に接続した所定形状の銅回路組立体を調製する一方、活性金属を含有する接合材をセラミックス基板表面に印刷して所定形状の接合材層を形成し、次に上記接合材層の形状に合せて上記銅回路組立体を配置し加熱することにより、上記接合材層を介して銅回路組立体をセラミックス基板に一体に接合し、しかる後に上記ブリッジ部を有する銅回路組立体のみをエッチング処理することにより各ブリッジ部を除去する製造方法が記載されている。

特開平６−２１６４９９号公報

しかし、上記特許文献１記載の製造方法では、ブリッジ部の強度が弱く、セラミック板に銅回路板を載置する際、各回路要素の相互位置にずれが発生する場合がある。また、ブリッジ部以外の部分では、各回路要素の側面全体からエッチングが進行し、各回路要素の面積が比較的小さくなってしまい、回路要素の熱容量が比較的小さくなり、放熱特性が比較的悪くなるといった課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、絶縁性基板に対する導電板の位置精度が高く、さらに耐熱サイクル特性に優れた放熱用部材、およびこれを用いたモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を達成するため、本願第１発明は、絶縁性基板と、一方主面が前記絶縁性基板の主面と接合された導電板と、を備えて構成された放熱用部材であって、前記導電板は、周面に、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線に沿って連続した、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線の双方よりも外側に突出した突出部を備えることを特徴とする放熱用部材を提供する。

また、前記側面は、前記一方主面から前記突出部の頂部に至る斜面が、凹状とされていることが好ましい。さらに、前記側面は、前記他方主面から前記突出部の頂部に至る斜面が、凹状とされていることが、また好ましい。

また、前記絶縁性基板と前記導電板は、ロウ材を介して接合されていることが好ましく、前記頂部は、前記ロウ材の周縁線に対して外側に位置することが好ましい。

また、前記絶縁性基板は、セラミックスを主成分とすることが好ましい。また、前記導電板は、金属からなることが好ましい。また、前記導電板は、銅を主成分とすることが好ましい。

また、上記放熱用部材における前記導電板と反対側の主面に電子部品を搭載したことを特徴とするモジュールを、併せて提供する。

絶縁性基板における導電板の位置精度が比較的高く、かつ、耐熱性が比較的高い。

本発明に係る放熱部材の一実施形態を示す概略図であり、（ａ）は概略上面図（ｂ）は概略断面図である。図１（ａ）に示す放熱部材の一部を拡大して示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す放熱部材の製造工程について説明する概略断面図である（ａ）〜（ｄ）は、エッチング中の銅板の形状変化を時系列に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、放熱部材の他の実施形態を示す断面図である。

図１は本発明に係る放熱部材の一実施形態を示す概略図である。図１（ａ）は、放熱部材２０の概略上面図、図１（ｂ）は放熱部材２０の概略断面図である。また、図２は、図１（ａ）に示す放熱部材２０の一部を拡大して示す断面図である。

放熱部材２０は、絶縁性基板２と、絶縁基板２の一方主面に、接合層６を介して接合された導電層４と、を備えて構成されている。

絶縁性基板２は、例えば窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄）を主成分とするセラミックス基板である。絶縁性基板２としては、窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）以外にも、例えば、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を主成分とするセラミックス基板であってもよく、要求される伝熱特性や熱膨脹係数の多少に応じて、適宜選択した材質で構成すればよい。本実施形態では、絶縁性基板２の厚みが、例えば０．０５〜１．５ｍｍとされている。

また、接合材層６としては、重量％でCuを１５〜５０％、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＮｂから選択される少くとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを用いればよい。上記活性金属はセラミックスに対するろう材の濡れ性を改善し、銅回路板との接合強度を高めるための成分であり、例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂなどがあり、それらの配合量は、接合用組成物全体に対して１〜１０重量％である。この配合量の範囲において、セラミックス基板と銅回路板との接合部の剪断強度が大きな値となる。またＡｇ−Ｃｕ成分は、Ｓｉ₃Ｎ₄基板とＴｉとの接合層の形成を促進する成分として有効であり、Ｔｉを拡散させ強固な接合体を形成するのに寄与する。

また、接合用組成物の成分として、導電性を有するＡｇ−Ｃｕを主体にしたろう材に、熱膨脹係数がセラミックス基板に比較的に近いＷ，Ｍｏ，ＡｌＮ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＢＮを添加することにより、反応層に応力緩和作用を発揮させ、高い接合強度を有し、かつ熱衝撃試験（ＴＣＴ）特性に優れたセラミックス銅回路基板を得ることができる。特にセラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体の場合には、Ａｇ−Ｃｕろう材にＷ，Ｍｏ，ＡｌＮを添加したろう材を使用すると割れや剥離が少ない接合体を得ることができる。

導電性を発揮するＡｇ−Ｃｕ成分は、セラミックス基板とＴｉなどの活性金属との接合層の形成を促進する成分として有効であり、Ｔｉ等を拡散させ強固な接合体を形成するのに寄与するのみならず、導体層としての微細な回路を形成する材料ともなる。

また、比較的微細な導体層パターンを接合用組成物によって形成する場合には、生成する液相の流れによってパターンがくずれることを防止するために、Ａｇ−Ｃｕ成分が共晶組成物（７２ｗｔ％Ａｇ−２８Ｃｕ）を生成し易い組成比から離れた組成比を有する接合用組成物を使用し、液相の生成量を比較的低減しておくことが好ましい。すなわちろう接合時に加熱昇温する温度７００〜９５０℃の範囲で必要最少量の液相を生成する金属成分を含む化合物系で構成された接合用組成物を使用することが望ましい。

導電層４は、例えば銅（Ｃｕ）を主成分とする金属板からなる。この金属板は、平面視において所定形状にパターニングされており、複数の部分に分割されている。図２に示すように、各部分毎に、導電層４の側面４２は、導電板２側の端部４２Ｂ、および導電板２と反対側の端部４２Ａ、の双方よりも外側位置に突出した、突出頂部４４を備えている。このように放熱部材２０では、突出頂部４４が、特に導電板２側の端部４２Ｂよりも外側位置に突出しており、導電層４の体積が比較的大きく、かつ導電層４の表面積が比較的大きくされている。放熱部材２０では、導電層４の熱容量が比較的大きいとともに、放熱面積も比較的大きく、放熱性および耐熱性が比較的高い。本実施形態では、絶縁性基板２の厚みが、例えば０．２５〜１．０ｍｍとされている。

また、側面４２は、導電板２側の端部４２Ｂから突出頂部４４に至る斜面が、凹状とされている。側面４２がこのような形状とされているので、接合層６との接合界面の端部に応力が比較的集中し難く、熱サイクルがかかった場合でも、導電層４と絶縁基板２とが比較的剥がれ難い。

また、導電層４の側面４２の突出頂部４４は、接合層６の端部よりも外側に位置している。導電層４の体積および表面積を大きくするためには、各部分の導電層の間隙をなるべく近づけ、各部分の導電層をなるべく大きくすることが好ましい。しかし、例えば接合層６の端部の間隔を極端に近づけた場合、特に導電基板２の表面近傍において、短絡が生じる可能性が高くなる。放熱部材２０では、電層４の体積が比較的大きく、かつ導電層４の表面積が比較的大きくされている一方、接合層６同士の間隔は比較的大きく保っており、接合層６同士の短絡が抑制されている。

なお、接合層６は必ずしも備えている必要はなく、例えば、銅からなる導電層４とセラミックスからなる絶縁基板９とが、いわゆる直接接合法によって接合されていてもよい。例えばセラミックス基板上に銅板を、Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Copper 法）を用いればよい。

放熱部材２０は、例えば次のような手順で製造される。図３（ａ）〜（ｅ）および図４を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、最終的な放熱部材における導電層部分以外の領域のみが薄肉化された銅板３０を準備する。銅板３０は、エッチング処理またはプレス加工等によって、所定部分を薄肉化することで製造すればよい。銅板３０では、一方主面および他方主面の双方に凹部が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、銅板３０の圧肉部分（すなわち、最終的な放熱部材における導電層部分）に、接合層６の前駆体である接合剤４０を塗布する。この際、上記組成を有する接合材にアクリル樹脂系バインダー、テレピネオールおよびオレイン酸を添加して接合材ペーストを調製し、この接合材ペーストをスクリーン印刷法等によって銅板３０の圧肉部に選択的に塗布する。

次に、図３（ｃ）に示すように、接合剤４０が塗布された銅板３０を、絶縁基板２に当接させて配置し、真空状態で加熱する。本実施形態では、絶縁基板２の２つの主面に、それぞれ銅板３０が当接され、図中の上側および下側から圧力が印加される。この状態で全体を加熱炉に収容し、真空中で温度７００〜９５０℃で５〜３０分間昇温加熱して接合処理する。

次に、図３（ｄ）に示すように、銅板３０の圧肉部の、絶縁基板２側と反対側の表面に、レジスト等からなるエッチングマスク５０を選択的に塗布した後、エッチング剤（エッチャント）である塩化第２鉄溶液に全体を浸漬する。このエッチングでは、銅板３０が選択的にエッチングされる。図４（ａ）〜（ｄ）は、エッチング中の銅板３０の形状変化を時系列に示す断面図である。銅板３０は、一方主面および他方主面の双方に凹部が形成されており、２つの主面それぞれの側から、薄肉部がエッチングされる。このため、比較的少ないエッチング時間で、薄肉部のエッチングを終了することが可能でき、部分導電層の側面のエッチング量は比較的少なくすることができる。逆にいえば、薄肉部を比較的厚く、各部分導電層同士の位置が容易に変動しない程度に頑強に構成とした場合でも、エッチングによる縮小量を比較的少くし、形状精度を比較的高くすることができる。かかる工程を経ることで、図１、２に示すような、放熱部材２０を得ることができる。

また、このエッチングによって、銅板３０の、絶縁基板２との接合する側の主面の周縁部分がエッチング除去される。この部分は、図３（ｃ）に示す接合工程において応力が比較的集中して発生する部分である。銅板３０を、絶縁基板２と接合する側からもエッチングすることで、この絶縁基板２の側の残留応力部分を除去することができる。

なお、放熱部材２０の形状は、上記実施形態に限定されない。図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、放熱部材の他の実施形態を示す断面図である。エッチング条件や、プレス加工等による薄肉化の初期状態を変更することで、最終的な放熱部材２０における導体層４の形状を、様々な形に設定することができる。例えば、図３（ｄ）に示すようなレジストを、銅板３０の圧肉部の絶縁基板２側と反対側の表面に形成せずに、全体をエッチングすることで、図５（ｂ）に示すように、側面４２の絶縁基板２側と反対側の端部４２Ａが比較的内側に位置する放熱部材２０を得ることができる。

以上、本発明の放熱用部材およびこれを用いたモジュールについて説明したが、本発明の放熱用部材およびこれを用いたモジュールは上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

２絶縁性基板
４導電層
６接合層
２０放熱部材
３０銅板
４２側面

Claims

絶縁性基板と、
一方主面が前記絶縁性基板の主面と接合された導電板と、を備えて構成された放熱用部材であって、
前記導電板は、周面に、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線に沿って連続した、前記一方主面の周縁線および他方主面の周縁線の双方よりも外側に突出した突出部を備えることを特徴とする放熱用部材。
前記側面は、前記一方主面から前記突出部の頂部に至る斜面が、凹状とされていることを特徴とする請求項１記載の放熱用部材。
前記側面は、前記他方主面から前記突出部の頂部に至る斜面が、凹状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱用部材。
前記絶縁性基板と前記導電板は、ロウ材を介して接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放熱用部材。
前記頂部は、前記ロウ材の周縁線に対して外側に位置することを特徴とする請求項４に記載の放熱用部材。
前記絶縁性基板は、セラミックスを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の放熱用部材。
前記導電板は、金属からなることを特徴とする請求項１〜６記載の放熱用部材。
前記導電板は、銅を主成分とすることを特徴とする請求項７記載の放熱用部材。
請求項１乃至８のいずれかに記載の放熱用部材における前記導電板と反対側の主面に電子部品を搭載したことを特徴とするモジュール。