JP3529055B2 - Insulating heat sink - Google Patents

Insulating heat sink

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JP3529055B2
JP3529055B2 JP10385894A JP10385894A JP3529055B2 JP 3529055 B2 JP3529055 B2 JP 3529055B2 JP 10385894 A JP10385894 A JP 10385894A JP 10385894 A JP10385894 A JP 10385894A JP 3529055 B2 JP3529055 B2 JP 3529055B2
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aluminum nitride
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nitride substrate
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美幸 中村
紘一 内野
明 宮井
好彦 辻村
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Denki Kagaku Kogyo KK
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、放熱性と信頼性に優れ
た絶縁放熱板に関するものであり、パワートランジス
タ、パワーダイオード、パワーIC等の素子搭載のため
に使用されるものである。 【0002】 【従来の技術】半導体素子の小型化に伴ない、単位面積
当りの消費電力は急増しており、回路設計者は放熱対策
に苦労している。特に、イグナイターや溶接用電源等に
使用されるパワートランジスタ、パワーダイオード、パ
ワーIC等の素子からの発熱は大きくそれを放散させる
のに従来はアルミナ基板の表面に同時焼成等によって厚
膜メタライズを施したものを絶縁放熱板として用い、そ
れを銅、アルミニウム等の金属からなるヒートシンクに
はんだ付けした後、素子搭載側の面に必要に応じて銅製
のヒートスプレッダさらに銅製のヒートスプレッダを使
用した場合にはMo箔を介して素子がはんだ付けされて
いた。 【0003】しかしながら、アルミナ基板に厚膜メタラ
イズを施した絶縁放熱板にあっては、アルミナの熱伝導
性が十分に高くはないので素子能力に余力を持たせた領
域における使用に限定される欠点があった。そこで、ア
ルミナ基板のかわりに窒化アルミニウム基板を用いるこ
とが考えられる。窒化アルミニウムは、電気的特性がア
ルミナと同等であるが、熱伝導率はアルミナの5〜13
倍で熱膨張係数がSiに近いという特徴がある。 【0004】このSiに近い熱膨張係数の特徴は、大型
のSi素子の直接搭載を可能にする反面、冷熱サイクル
による熱応力によって窒化アルミニウム基板やはんだ層
にクラックが生じるという問題がある。これは、窒化ア
ルミニウムとヒートシンク材、あるいはヒートスプレッ
ダを用いる場合は窒化アルミニウムとヒートスプレッダ
材との熱膨張差に起因するものであり、アルミナを用い
る場合に比べて大きな応力が発生することによるもので
ある。 【0005】以上のことから、アルミナ基板に厚膜メタ
ライズを施した絶縁放熱板において、そのアルミナ基板
を窒化アルミニウム基板に置き換えると窒化アルミニウ
ム基板にクラックが発生して絶縁不良を起こす。また、
窒化アルミニウム基板に厚膜メタライズを施した絶縁放
熱板に、ヒートスプレッダを介することなくSi素子を
直接搭載するとSi素子と絶縁放熱板間の膨張差はない
ので生成する熱応力はきわめて小さくなり、窒化アルミ
ニウム基板の破壊は起こり難くなるが、ヒートシンク側
では大きな応力が生じてヒートシンクと絶縁放熱板を接
合しているはんだ層に接合面に対して水平のクラックが
発生し、伝熱面積の縮小から最終的には剥離へと進展す
る。 【0006】 【発明が解決しょうとする課題】本発明は、冷熱サイク
ルによる熱応力によってセラミック基板やはんだ層にク
ラックが発生せず、放熱性と信頼性に優れた絶縁放熱板
を提供することを目的とする。 【0007】 【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
面から100μm以内の部分に存在する粒界層の割合E
sが8〜20%で、厚み方向の中心部分から±100μ
m以内の部分に存在する粒界層の割合Eiが16%以下
であり、しかもEs/Eiが1.25以上である窒化ア
ルミニウム基板の素子搭載側とヒートシンク側のそれぞ
れの面に厚み0.075〜0.2mmの銅箔が設けられ
てなることを特徴とする絶縁放熱板である。 【0008】以下、更に詳しく本発明を説明すると、本
発明でセラミック基板の面に形成される金属箔種として
は、銅、アルミニウム、銅−アルミニウム合金、鉄−ニ
ッケル合金等であるが、銅が一般的である。金属箔の厚
みについても特に制限はないが、金属箔を熱応力の緩衝
層として機能させるために0.05〜0.2mmである
ことが好ましい。 【0009】中でも、金属箔種が銅である場合には、そ
の厚みを0.075mm以上特に0.1mm以上とする
ことによって、銅箔を活性金属法によって窒化アルミニ
ウム基板に接合する際に発生する銅箔のシワを防止する
ことができる。 【0010】本発明で使用されるセラミック基板として
は、窒化アルミニウム基板、ベリリア基板、アルミナ基
板、窒化けい素基板等をあげることができるが、窒化ア
ルミニウム基板が好ましく、その焼結密度は、機械的強
度及び電気特性の点から、相対密度が95%以上である
ことが望ましい。 【0011】中でも、表面から100μm以内の部分に
存在する粒界層の割合Esが8〜20%で、厚み方向の
中心部分から±100μm以内の部分に存在する粒界層
の割合Eiが16%以下であり、しかもEs/Eiが
1.25以上である窒化アルミニウム基板が冷熱サイク
ルに対する耐久性が大であるので好適ある。このような
窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム粉末に対し
て3〜5重量%の焼結助剤、例えばイットリア、セリア
等の希土類酸化物、例えばカルシア、マグネシア等のア
ルカリ土類酸化物等を含んでなるグリーンシートを、窒
素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下で焼成した後、温度
1700℃までを冷却速度8℃/分以下にして冷却する
ことによって製造することができる。 【0012】粒界層の割合Es又はEiを測定するに
は、窒化アルミニウム基板の断面を走査型電子顕微鏡
(SEM)におけるCOMPO像を撮影し画像処理する
ことによって行うことができる。例えば、粒界成分(焼
結助剤成分)の分子量が窒化アルミニウムのそれよりも
大きい場合には粒界成分は白く見える。写真のコントラ
ストを統一するために粒界層が白く窒化アルミニウム粒
子が黒くなるように画像処理を行う。この画像処理され
た写真の色度(L値)を色差計で測定し、全面白の場合
を100、全面黒の場合を0となるように値を補正して
その写真のL値を求め、そのL値から予め作成された検
量線にしたがって粒界層の割合Es又はEiを求める。
粒界成分と窒化アルミニウムとの分子量の差では識別し
にくい場合には、EPMA装置を用いて面分析を行い、
同様にL値を求めることによって行うことができる。 【0013】走査型電子顕微鏡又はEPMA装置の倍率
は500倍程度が適当であり、色差計の測定範囲として
直径100μm程度の円が納まるように写真の大きさを
調節することが望ましい。以上の粒界層の割合Es又は
Ei及びその測定法の詳細については、特願平6−17
640号明細書に記載されている。 【0014】セラミック基板の厚みとしては、パワーモ
ジュール用回路基板で採用されている一般的な厚み0.
635mmよりも薄くすることが可能であり、0.4m
m以上あれば問題ない。 【0015】セラミック基板に金属箔を接合する方法と
しては、活性金属ロウを用いた活性金属法とDBC法が
一般的である。 【0016】活性金属法は、セラミック基板の表面にペ
ースト状の活性金属ロウを塗布した後金属箔を接触配置
するか、又は活性金属ロウ箔を挟んで金属箔を接触配置
し、1×10-4torr以下の真空中、活性金属ロウの
融点以上の温度、一般的には活性金属ロウの融点よりも
50℃程度高い温度で接合処理される。 【0017】活性金属法で使用される活性金属ロウは、
半導体部品の組立時に使用されるはんだの融点以上の融
点をもつものであれば特に限定を受けるものではない
が、銀−銅の共晶を利用したものが一般的である。活性
金属種としては、Ti、Zr、Hfが実績があるがこれ
らに限られることはなく、接合温度までにそれらの金属
又は他金属との合金となって活性金属として作用する限
り、Ti、Zr、Hfの水素化物、炭酸塩、酸化物等の
化合物をも使用することができる。 【0018】セラミック基板と金属箔との接合体に素子
を搭載するためのパターンを形成するには、化学エッチ
ング等の方法によって不要な金属箔と不要なロウを除去
してパターニングし、さらに必要に応じてメッキ等の処
理を施すことによって行うことができる。パターニング
には種々の方法があり、接合したい部分にのみ活性金属
ロウを配置してから予めパターニングした金属箔を接合
する方法、接合したい部分にのみ活性金属ロウを配置し
てからベタ金属箔を接合し化学エッチング法で不要な金
属箔を除去する方法等がある。 【0019】DBC法は、金属箔種が銅でしかもセラミ
ック基板がアルミナ基板又は窒化アルミニウム基板の場
合に使用される。セラミック基板が窒化アルミニウム基
板である場合は予めその表面を酸化処理して使用され
る。銅箔としては、タフピッチ銅等のような酸素をやや
含むものが好ましく用いられ、温度1063〜1080
℃、微量の酸素を含む窒素気流中で接合処理される。D
BC法では接合時に荷重をかけないため、0.075m
mの銅箔であってもシワを発生させることがなく接合す
ることができる。銅箔のパターニングは、上記した方法
で行うことができる。 【0020】 【作用】これまでに、窒化アルミニウム基板等のセラミ
ック基板に銅箔等の金属箔を接合されたものは、すでに
インバーター等のパワーモジュール用回路基板として実
用化されている。これは、少なくとも3又は4以上のア
イランドからなる回路を有するものであって金属箔部に
電流が流れるものである。そして、金属箔の厚みについ
ては、回路側は最近の大電流化の要望に応えるため、こ
れまでの0.3mmよりも更に厚くなる方向にあり、ま
たヒートシンク側は回路基板の反りを考慮して回路側の
金属箔とバランスするようにそれと同じ厚みとするか、
回路側の金属箔よりも0.05〜0.1mm程度薄くさ
れている。このような構造のものは、金属箔の剥離の危
険とコスト面から絶縁放熱板としては敬遠されていたも
のであり、セラミック基板に厚膜メタライズの施された
ものが主流であった。 【0021】これに対し、本発明における絶縁放熱板
は、ほとんどの場合、素子又はヒートスプレッダ(これ
に大電流を流す場合もある)を搭載するためだけの1つ
のアイランドからなるものであって金属箔部には電流は
流さない。本発明の絶縁放熱板に素子又はヒートスプレ
ッダを搭載すると金属箔が熱応力の緩衝層として作用
し、従来の窒化アルミニウム基板に厚膜メタライズの施
された絶縁放熱板に比較して寿命は伸びる。しかしなが
ら、アルミナ基板に厚膜メタライズの施された絶縁放熱
板よりも短寿命となり、冷熱サイクルの熱応力により金
属箔の剥離やセラミック基板の割れが起こることがあ
る。このような問題をなくするには、セラミック基板と
して窒化アルミニウム基板、金属箔として厚み0.07
5〜0.2mmの銅箔を用いることであり、これによっ
て最低2000サイクルの冷熱サイクルに対しても耐え
るものとなる。 【0022】 【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に説明する。 【0023】実施例1 窒化アルミニウム粉末97部(「部」は「重量部」、以
下同じ)、焼結助剤としてイットリア3部、有機結合剤
としてポリビニルブチラール8部、可塑剤としてブチル
フタレート4部、分散剤としてグリセリントリオレート
1部、溶剤としてキシレン50部からなるスラリーを脱
泡し粘度調整した後、ドクターブレード法でシート成形
した。乾燥後、プレス打ち抜きによって29×29mm
に加工し、それを窒素中700℃で脱脂処理を行ってか
ら1850℃、2時間焼成して窒化アルミニウム基板を
製造した。この基板は、熱伝導率150W/mK、相対
密度99.9%、寸法25×25×0.635mmであ
った。また、Es値6.5%、Ei値6.3%、Es/
Eiが1.03であった。 【0024】銀粉末75部、銅粉末25部、ジルコニウ
ム粉末10部、テルピネオール15部及びポリイソブチ
ルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.5部
を混練して活性金属ロウ材ペ−ストを調製した。これを
スクリーン印刷によって窒化アルミニウム基板の表裏そ
れぞれの全面に10mg/cm2 (乾燥後の塗布量)の
割合で塗布した。 【0025】次いで、0.1mm厚の銅箔を接触配置し
てから炉に投入し、1×10-4torrの真空下、温度
900℃で30分加熱処理した後、2℃/分の降温速度
で冷却して接合体を製造した。 【0026】得られた接合体の銅箔上にUV硬化タイプ
のエッチングレジストをスクリーン印刷法によって20
×20mm形状に塗布した後、塩化第2銅溶液を用いて
不要銅箔部分を溶解除去し、さらにパターン外に残った
不要ロウ材や反応生成物を60℃、10%フッ化アンモ
ニウム溶液で溶解除去した。その後、5%苛性ソーダ溶
液でエッチングレジストを剥離し目的形状の絶縁放熱板
を得た。これに表面保護のため、Ni−Pメッキ処理を
施したものを5枚作製し試験体とした。 【0027】図1に示すように、試験体の裏面には30
×30×4mmのヒートシンク銅板を、また表面には2
0×20×1mmの銅板製ヒートスプレッダをはんだ付
けし冷熱サイクルテストを実施したところ、5枚の試験
体とも2500サイクルまでは全く異常は認められなか
った。 【0028】冷熱サイクルテストは、大気中、−40℃
×30分保持後、25℃×10分間放置、さらに125
℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイクル
として行い、試験体5枚のうちの1枚にでも窒化アルミ
ニウム基板にクラックが発生(基板クラック)したか、
又ははんだ層から試験体が剥離(はんだ剥離)した場合
には、その時点の冷熱サイクル数を耐冷熱サイクル性と
して評価した。 【0029】実施例2〜9 窒化アルミニウム基板に接合される銅箔厚みを種々変化
させたこと以外は、実施例1と同様にして試験体を作製
し同様な評価をした。なお、実施例2、3、7及び9で
は50枚の接合体中、それぞれ25、15、17及び1
5枚に銅箔のシワがあったのでシワのないものを各々5
枚を選んで試験体とした。 【0030】比較例1 実施例1でプレス打ち抜きされた29×29mmの成形
体の表裏それぞれの面に、タングステン粉末(平均粒径
1.5μm)100部と、ポリイソブチルメタアクリレ
ートのトルエン溶液を固形分として2部とを、テレピネ
オールで希釈してメタライズペーストとしたものをスク
リーン印刷によって23×23mm形状に塗布し、窒素
中700℃で脱脂処理をしてから1850℃、2時間焼
成して窒化アルミニウム基板に厚膜メタライズの施され
た絶縁放熱板を製造した。この絶縁放熱板の熱伝導率は
150W/mK、相対密度は99.9%、寸法は25×
25×0.635mm、厚膜メタライズ部は20×20
mmであった。これに表面保護のため、Ni−Pメッキ
処理を施したものを5枚作製し試験体とした。 【0031】この試験体に実施例1と同様のヒートシン
ク銅板と銅板製のヒートスプレッダをはんだ付けし冷熱
サイクルテストを実施したところ、100サイクルで5
枚全てに窒化アルミニウム基板に貫通クラックが発生
し、絶縁不良を起こした。 【0032】比較例2 寸法25×25×0.635mm、熱伝導率20W/m
Kである市販の酸化アルミニウム基板の表裏それぞれの
面にMo−Mnペーストをスクリーン印刷によって20
×20mmに塗布し、湿潤フォーミングガス(窒素−水
素)中、1450℃で厚膜メタライズ処理をした。これ
に、Ni−Pメッキを施して5枚の試験体を製造した。 【0033】この試験体に実施例1と同様のヒートシン
ク銅板と銅板製のヒートスプレッダをはんだ付けし冷熱
サイクルテストを実施したところ、300サイクルでヒ
ートシンク側のはんだ層にクラックが認められたが剥離
する程ではなく、十分な強度を有していた。しかし、1
500サイクルを経過した時点では5枚の全てがヒート
シンク銅板から剥離した。 【0034】以上の実施例1〜9、比較例1〜2の結果
をまとめて表1に示す。 【表1】【0035】実施例10 ヒートシンク材に30×30×2mmのアルミニウム板
を使用したこと以外は、実施例1と全く同様の手順で冷
熱サイクルテストまで実施したところ、2500サイク
ルでは全く異常が認められなかった。 【0036】実施例11〜18 窒化アルミニウム基板に接合される銅箔厚みを種々変化
させたこと以外は、実施例10と同様にして試験体を作
製し実施例1と同様な評価をした。なお、実施例11、
12及び16では銅箔にシワのあるものもあったのでシ
ワのないものを各々5枚を選んで試験体とした。 【0037】比較例3 ヒートシンク材に30×30×2mmのアルミニウム板
を使用したこと以外は、比較例1と同様にして試験体を
作製し同様な評価をしたところ、100サイクルで窒化
アルミニウム基板にクラックが発生し、絶縁不良を起こ
した。 【0038】比較例4 ヒートシンク材に30×30×2mmのアルミニウム板
を使用したこと以外は、比較例2と同様にして試験体を
作製し同様な評価をしたところ、1200サイクルを経
過した時点で5枚の全てがヒートシンクアルミニウム板
から剥離した。 【0039】以上の実施例10〜18及び比較例3〜4
の結果をまとめて表2に示す。 【表2】【0040】実施例19 試験体の裏面にのみ30×30×4mmのヒートシンク
銅板をはんだ付けしたこと以外は、実施例1と同様にし
て冷熱サイクルテストを実施したところ、2500サイ
クルまで全く異常は認められなかった。 【0041】実施例20〜28 窒化アルミニウム基板に接合される銅箔厚みを種々変化
させたこと以外は、実施例19と同様にして試験体を作
製し同様に評価した。なお、実施例20、21及び25
では銅箔にシワのあるものもあったのでシワのないもの
を各々5枚を選んで試験体とした。 【0042】比較例5 試験体の裏面にのみ30×30×4mmのヒートシンク
銅板をはんだ付けしたこと以外は、比較例1と同様にし
て冷熱サイクルテストを実施したところ、800サイク
ルを経過した時点で5枚の全てがヒートシンク銅板から
剥離した。 【0043】比較例6 試験体の裏面にのみ30×30×4mmのヒートシンク
銅板をはんだ付けしたこと以外は、比較例2と同様にし
て冷熱サイクルテストを実施したところ、1100サイ
クルを経過した時点で5枚の全てがヒートシンク銅板か
ら剥離した。 【0044】以上の実施例19〜28及び比較例5〜6
の結果をまとめて表3に示す。 【表3】【0045】実施例29 窒化アルミニウム基板として、以下の方法で製造された
Es値8.2%、Ei値5.5%、Es/Eiが1.4
9であるものを用いたこと以外は、実施例1と同様にし
て試験体を作製し、実施例1よりも過酷な条件である、
大気中、−60℃×30分保持後、25℃×15分間放
置、さらに150℃×30分保持後、25℃×15分間
放置を1サイクルとして耐冷熱サイクル性を評価したと
ころ、2500サイクルで全く異常は認められなかっ
た。なお、実施例1の試験体では、この条件で2000
サイクルで基板クラックが発生した。 【0046】窒化アルミニウム粉末97重量部と焼結助
剤(イットリア)3重量部の合計100重量部に対し、
有機結合剤としてポリビニルブチラール8重量部、可塑
剤としてブチルフタレート4重量部、分散剤としてグリ
セリントリオレート1重量部及び溶剤としてキシレン5
0重量部をナイロンポットにて24時間混合した。得ら
れたスラリーを粘度調整後ドクターブレーディングによ
りPETフィルム状に広げ、強制乾燥して所定の厚みを
持つグリーンシートを成形した。このグリーンシートを
60×35mmの大きさに打ち抜き、それを10枚を重
ねてタングステンの重しをのせ、空気中500℃で1時
間加熱して有機結合剤を除去した後、窒素雰囲気中、温
度1950℃で焼成した後、温度1700℃までを1℃
/分の速度で冷却した。 【0047】 【発明の効果】本発明によれば、冷熱サイクルによる熱
応力によってセラミック基板やはんだ層にクラックが発
生せず、放熱性と信頼性に優れた絶縁放熱板を提供する
ことができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated heat radiating plate excellent in heat radiation and reliability, and more particularly to a device mounted with elements such as a power transistor, a power diode and a power IC. Is what is used for 2. Description of the Related Art As the size of semiconductor devices is reduced, the power consumption per unit area is rapidly increasing, and circuit designers are struggling with measures for heat dissipation. In particular, heat generated from elements such as power transistors, power diodes, and power ICs used in igniters and welding power sources is large, and the heat is dissipated. This is used as an insulating heatsink and soldered to a heat sink made of metal such as copper or aluminum. If a copper heat spreader or a copper heat spreader is used on the element mounting side as necessary, Mo The element was soldered through the foil. [0003] However, in the case of an insulating radiator in which an alumina substrate is provided with a thick film metallization, the thermal conductivity of alumina is not sufficiently high, so that it is limited to use in a region where there is a margin in element performance. was there. Therefore, it is conceivable to use an aluminum nitride substrate instead of the alumina substrate. Aluminum nitride has the same electrical properties as alumina, but has a thermal conductivity of 5 to 13 times that of alumina.
There is a feature that the thermal expansion coefficient is twice that of Si. The characteristic of the thermal expansion coefficient close to that of Si is that it enables direct mounting of a large-sized Si element, but has a problem that cracks occur in the aluminum nitride substrate and the solder layer due to thermal stress caused by a thermal cycle. This is due to the difference in thermal expansion between aluminum nitride and the heat spreader material when using aluminum nitride and a heat sink material, or when using a heat spreader, and because a larger stress is generated than when using alumina. [0005] From the above, when the alumina substrate is replaced with an aluminum nitride substrate in an insulating radiator in which a thick film metallization is applied to an alumina substrate, cracks occur in the aluminum nitride substrate and insulation failure occurs. Also,
When an Si element is directly mounted on an aluminum nitride substrate with a thick film metallized on an insulating radiator without a heat spreader, there is no difference in expansion between the Si element and the insulating radiator, so the thermal stress generated is extremely small. Destruction of the board is unlikely to occur, but large stress is generated on the heat sink side, and a horizontal crack is generated in the solder layer joining the heat sink and the insulating heat sink with respect to the joint surface, and the heat transfer area is reduced due to the reduction of the heat transfer area Progresses to peeling. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an insulating and heat radiating plate which does not cause cracks in a ceramic substrate or a solder layer due to thermal stress caused by a thermal cycle and has excellent heat radiating properties and reliability. Aim. That is, the present invention provides a table
E of the grain boundary layer existing in a portion within 100 μm from the surface
s is 8 to 20%, ± 100 μm from the center in the thickness direction
The ratio Ei of the grain boundary layer existing in the portion within m is 16% or less
And a copper foil having a thickness of 0.075 to 0.2 mm is provided on each of the element mounting side and the heat sink side of the aluminum nitride substrate having Es / Ei of 1.25 or more. It is an insulating heat sink. Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The metal foil types formed on the surface of the ceramic substrate in the present invention include copper, aluminum, a copper-aluminum alloy, an iron-nickel alloy, and the like. General. The thickness of the metal foil is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.2 mm so that the metal foil functions as a buffer layer for thermal stress. [0009] In particular, when the metal foil type is copper, the thickness is set to 0.075 mm or more, particularly 0.1 mm or more, which is generated when the copper foil is bonded to the aluminum nitride substrate by the active metal method. Wrinkles of the copper foil can be prevented. As the ceramic substrate used in the present invention, an aluminum nitride substrate, a beryllia substrate, an alumina substrate, a silicon nitride substrate and the like can be mentioned. An aluminum nitride substrate is preferable, and the sintering density is mechanical. From the viewpoint of strength and electrical characteristics, it is desirable that the relative density is 95% or more. Among them, the ratio Es of the grain boundary layer existing in a portion within 100 μm from the surface is 8 to 20%, and the ratio Ei of the grain boundary layer existing in a portion within ± 100 μm from the center in the thickness direction is 16%. It is preferable that the aluminum nitride substrate having Es / Ei of 1.25 or more has a high durability against a thermal cycle. Such an aluminum nitride substrate contains 3 to 5% by weight, based on the aluminum nitride powder, of a sintering aid, for example, a rare earth oxide such as yttria or ceria, or an alkaline earth oxide such as calcia or magnesia. After firing the resulting green sheet in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon, the green sheet can be manufactured by cooling to a temperature of 1700 ° C. at a cooling rate of 8 ° C./min or less. The ratio Es or Ei of the grain boundary layer can be measured by taking a COMPO image of a section of the aluminum nitride substrate with a scanning electron microscope (SEM) and processing the image. For example, when the molecular weight of the grain boundary component (sintering aid component) is larger than that of aluminum nitride, the grain boundary component looks white. Image processing is performed so that the grain boundary layer is white and the aluminum nitride particles are black in order to unify the contrast of the photograph. The chromaticity (L value) of the image-processed photo is measured with a color difference meter, and the value is corrected so that the value is 100 when the image is completely white and 0 when the image is completely black, and the L value of the photograph is obtained. From the L value, the ratio Es or Ei of the grain boundary layer is determined according to a calibration curve created in advance.
If it is difficult to discriminate based on the difference in molecular weight between the grain boundary component and aluminum nitride, a surface analysis is performed using an EPMA device,
Similarly, it can be performed by obtaining the L value. The magnification of the scanning electron microscope or the EPMA apparatus is suitably about 500 times, and it is desirable to adjust the size of the photograph so that a circle having a diameter of about 100 μm is contained as a measurement range of the color difference meter. For details of the ratio Es or Ei of the grain boundary layer and the measuring method thereof, see Japanese Patent Application No. 6-17 / 1990.
640. [0014] The thickness of the ceramic substrate is a typical thickness of 0. 0, which is used for a circuit board for a power module.
It can be thinner than 635mm, 0.4m
There is no problem if it is more than m. As a method of bonding a metal foil to a ceramic substrate, an active metal method using an active metal brazing and a DBC method are generally used. According to the active metal method, a paste of active metal brazing is applied to the surface of a ceramic substrate and then a metal foil is placed in contact therewith, or a metal foil is placed in contact with an active metal brazing foil sandwiched therebetween, and 1 × 10 − The joining process is performed in a vacuum of 4 torr or less, at a temperature equal to or higher than the melting point of the active metal brazing, generally at a temperature about 50 ° C. higher than the melting point of the active metal brazing. The active metal wax used in the active metal method includes:
There is no particular limitation as long as it has a melting point equal to or higher than the melting point of the solder used when assembling the semiconductor component. However, a eutectic silver-copper is generally used. As the active metal species, Ti, Zr, and Hf have been used, but are not limited thereto. As long as they become alloys with those metals or other metals and act as active metals by the joining temperature, Ti, Zr, and Hr are used. , Hf hydrides, carbonates, oxides and other compounds can also be used. In order to form a pattern for mounting an element on a joined body of a ceramic substrate and a metal foil, unnecessary metal foil and unnecessary brazing are removed by a method such as chemical etching, and patterning is performed. It can be performed by performing a process such as plating in response. There are various methods for patterning, such as placing the active metal brazing only on the part to be joined and joining the metal foil that has been patterned in advance, or joining the solid metal foil after placing the active metal brazing only on the part to be joined Then, there is a method of removing unnecessary metal foil by a chemical etching method. The DBC method is used when the metal foil type is copper and the ceramic substrate is an alumina substrate or an aluminum nitride substrate. When the ceramic substrate is an aluminum nitride substrate, the surface thereof is oxidized before use. As the copper foil, one containing a little oxygen, such as tough pitch copper, is preferably used.
The bonding process is performed in a nitrogen stream containing a small amount of oxygen at a temperature of ℃. D
In the BC method, no load is applied at the time of joining.
Even with a copper foil of m, it can be joined without generating wrinkles. The patterning of the copper foil can be performed by the method described above. A ceramic substrate such as an aluminum nitride substrate bonded with a metal foil such as a copper foil has already been put into practical use as a circuit board for a power module such as an inverter. This has a circuit having at least three or four or more islands, and a current flows through the metal foil portion. Regarding the thickness of the metal foil, the circuit side is in the direction of becoming even thicker than the conventional 0.3 mm in order to respond to the recent demand for large current, and the heat sink side is considering the warpage of the circuit board. Make it the same thickness so that it balances with the metal foil on the circuit side,
It is thinner by about 0.05 to 0.1 mm than the metal foil on the circuit side. Such a structure has been avoided as an insulating heat radiating plate in terms of the risk of metal foil peeling and the cost, and a ceramic substrate provided with a thick film metallization has been the mainstream. On the other hand, the insulating radiator plate of the present invention is almost always composed of one island for mounting an element or a heat spreader (sometimes a large current is supplied to the spreader) and is composed of a metal foil. No current flows through the part. When an element or a heat spreader is mounted on the insulating heat radiating plate of the present invention, the metal foil acts as a buffer layer for thermal stress, and the life is extended as compared with a conventional aluminum nitride substrate having a thick metallized insulating heat radiating plate. However, the service life is shorter than that of an insulating radiator in which a thick film metallization is applied to an alumina substrate, and peeling of a metal foil and cracking of a ceramic substrate may occur due to thermal stress of a cooling / heating cycle. To eliminate such a problem, an aluminum nitride substrate is used as the ceramic substrate, and a metal foil having a thickness of 0.07 is used.
This is to use a copper foil of 5 to 0.2 mm, which can withstand a minimum of 2000 cycles of cooling and heating. The present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. Example 1 97 parts of aluminum nitride powder ("parts" are "parts by weight", the same applies hereinafter), 3 parts of yttria as a sintering aid, 8 parts of polyvinyl butyral as an organic binder, and 4 parts of butyl phthalate as a plasticizer A slurry comprising 1 part of glycerin triolate as a dispersant and 50 parts of xylene as a solvent was defoamed to adjust the viscosity, and then formed into a sheet by a doctor blade method. After drying, 29 x 29 mm by press punching
The resultant was subjected to a degreasing treatment in nitrogen at 700 ° C. and then baked at 1850 ° C. for 2 hours to produce an aluminum nitride substrate. This substrate had a thermal conductivity of 150 W / mK, a relative density of 99.9%, and dimensions of 25 × 25 × 0.635 mm. In addition, Es value 6.5%, Ei value 6.3%, Es /
Ei was 1.03. An active metal brazing paste was prepared by kneading 75 parts of silver powder, 25 parts of copper powder, 10 parts of zirconium powder, 15 parts of terpineol and 15 parts of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate at a solid content of 1.5 parts. did. This was applied on the entire surface of each of the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate by screen printing at a rate of 10 mg / cm 2 (application amount after drying). Next, a copper foil having a thickness of 0.1 mm is placed in contact therewith, and then put into a furnace, heated at 900 ° C. for 30 minutes under a vacuum of 1 × 10 -4 torr, and then cooled at a rate of 2 ° C./min. The assembly was manufactured by cooling at a speed. On the copper foil of the obtained joined body, a UV-curable etching resist was applied by a screen printing method.
After applying in a shape of × 20 mm, the unnecessary copper foil portion is dissolved and removed using a cupric chloride solution, and the unnecessary brazing material and reaction products remaining outside the pattern are dissolved in a 10% ammonium fluoride solution at 60 ° C. Removed. Thereafter, the etching resist was peeled off with a 5% caustic soda solution to obtain an insulating heat sink having a desired shape. Five samples were subjected to Ni-P plating for surface protection to produce five test pieces. As shown in FIG. 1, 30
× 30 × 4mm heat sink copper plate, and 2 on the surface
When a heat spreader made of a copper plate having a size of 0 × 20 × 1 mm was soldered and subjected to a thermal cycle test, no abnormality was observed at all for the five specimens up to 2500 cycles. The thermal cycle test was performed at -40 ° C. in the atmosphere.
After holding for 30 minutes at 25 ° C., leave for 10 minutes at 25 ° C. and further 125
After holding for 30 minutes at 25 ° C. for 10 minutes, one cycle of standing at 25 ° C. for 10 minutes was performed.
Alternatively, when the test piece peeled from the solder layer (solder peeling), the number of thermal cycles at that time was evaluated as the thermal cycle resistance. Examples 2 to 9 Specimens were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the copper foil bonded to the aluminum nitride substrate was changed variously. In Examples 2, 3, 7 and 9, 25, 15, 17 and 1 out of the 50 bonded bodies, respectively.
Each of the five sheets had copper foil wrinkles.
The specimens were selected and used as test specimens. Comparative Example 1 100 parts of a tungsten powder (average particle size: 1.5 μm) and a toluene solution of polyisobutyl methacrylate were solidified on each of the front and back surfaces of a 29 × 29 mm compact obtained by press punching in Example 1. 2 parts by volume was diluted with terpineol to form a metallized paste, applied to a 23 × 23 mm shape by screen printing, degreased at 700 ° C. in nitrogen, and baked at 1850 ° C. for 2 hours to form aluminum nitride. An insulating heat sink having a thick metallized substrate was manufactured. The thermal conductivity of this insulating heat sink is 150 W / mK, the relative density is 99.9%, and the dimensions are 25 ×
25 x 0.635 mm, thick metallized area is 20 x 20
mm. Five samples were subjected to Ni-P plating for surface protection to produce five test pieces. A heat sink copper plate and a heat spreader made of the same copper plate as in Example 1 were soldered to this test piece, and a cooling / heating cycle test was carried out.
In all of the sheets, through cracks occurred in the aluminum nitride substrate and insulation failure occurred. Comparative Example 2 Dimensions 25 × 25 × 0.635 mm, Thermal conductivity 20 W / m
Mo-Mn paste is screen-printed on each of the front and back surfaces of a commercially available aluminum oxide substrate of
× 20 mm, and subjected to thick film metallizing treatment at 1450 ° C. in a wet forming gas (nitrogen-hydrogen). This was subjected to Ni-P plating to produce five test pieces. When a heat sink copper plate and a heat spreader made of the same copper plate as in Example 1 were soldered to this test body and a cooling / heating cycle test was carried out, cracks were observed in the solder layer on the heat sink side after 300 cycles, but the solder layer was peeled off. Instead, it had sufficient strength. However, 1
At the time when 500 cycles had elapsed, all five sheets peeled off from the heat sink copper plate. The results of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 are summarized in Table 1. [Table 1] Example 10 Except that an aluminum plate of 30 × 30 × 2 mm was used as a heat sink material, the same procedure as in Example 1 was performed up to the cooling / heating cycle test. No abnormality was found at 2500 cycles. Was. Examples 11 to 18 Specimens were prepared in the same manner as in Example 10 except that the thickness of the copper foil bonded to the aluminum nitride substrate was changed variously, and the same evaluation as in Example 1 was performed. In Example 11,
In 12 and 16, there were some wrinkles in the copper foil, and five pieces each having no wrinkles were selected as test specimens. Comparative Example 3 A test specimen was prepared and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that a 30 × 30 × 2 mm aluminum plate was used as a heat sink material. Cracks occurred and insulation failure occurred. Comparative Example 4 A test piece was prepared and evaluated in the same manner as in Comparative Example 2 except that a 30 × 30 × 2 mm aluminum plate was used as a heat sink material. All five stripped from the heat sink aluminum plate. The above Examples 10 to 18 and Comparative Examples 3 and 4
Table 2 summarizes the results. [Table 2] Example 19 A cooling and heating cycle test was performed in the same manner as in Example 1 except that a heat sink copper plate of 30 × 30 × 4 mm was soldered only to the back surface of the test piece. No abnormality was found up to 2500 cycles. I couldn't. Examples 20 to 28 Specimens were prepared and evaluated in the same manner as in Example 19 except that the thickness of the copper foil bonded to the aluminum nitride substrate was changed variously. Examples 20, 21 and 25
Since some of the copper foils had wrinkles, five without wrinkles were selected as test specimens. Comparative Example 5 A cooling and heating cycle test was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that a 30 × 30 × 4 mm heat sink copper plate was soldered only to the back surface of the test piece. All five stripped from the heat sink copper plate. Comparative Example 6 A cooling and heating cycle test was performed in the same manner as in Comparative Example 2 except that a heat sink copper plate of 30 × 30 × 4 mm was soldered only to the back surface of the test piece. All five stripped from the heat sink copper plate. The above Examples 19 to 28 and Comparative Examples 5 to 6
Table 3 summarizes the results. [Table 3] Example 29 As an aluminum nitride substrate, an Es value of 8.2%, an Ei value of 5.5%, and an Es / Ei of 1.4 produced by the following method.
A test specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the test piece No. 9 was used, and the conditions were more severe than in Example 1.
After holding in air at −60 ° C. × 30 minutes, and then standing at 25 ° C. × 15 minutes, and further holding at 150 ° C. × 30 minutes, and then standing at 25 ° C. × 15 minutes as one cycle, the thermal cycling resistance was evaluated. No abnormalities were observed. Incidentally, in the test piece of Example 1, 2000
A substrate crack occurred during the cycle. For a total of 100 parts by weight of 97 parts by weight of aluminum nitride powder and 3 parts by weight of a sintering aid (yttria),
8 parts by weight of polyvinyl butyral as an organic binder, 4 parts by weight of butyl phthalate as a plasticizer, 1 part by weight of glycerin triolate as a dispersant, and xylene 5 as a solvent
0 parts by weight were mixed in a nylon pot for 24 hours. After adjusting the viscosity of the obtained slurry, it was spread into a PET film by doctor blading, and was forcedly dried to form a green sheet having a predetermined thickness. This green sheet was punched out to a size of 60 × 35 mm, ten of them were piled, a tungsten weight was placed thereon, and the organic binder was removed by heating at 500 ° C. for 1 hour in the air. After firing at 1950 ° C, the temperature up to 1700 ° C is increased by 1 ° C.
Per minute. According to the present invention, it is possible to provide an insulating and heat radiating plate which is excellent in heat radiating property and reliability without causing cracks in a ceramic substrate or a solder layer due to thermal stress caused by a thermal cycle.

【図面の簡単な説明】 【図1】実施例1で製造された試験体の裏面にヒートシ
ンク銅板、表面に銅板製ヒートスプレッダがはんだ付け
されてなることを説明するための図である。 【符号の説明】 1 ヒートシンク銅板 2 はんだ層 3 ヒートシンク側の銅箔 4 窒化アルミニウム基板 5 素子搭載側の銅箔 6 はんだ層 7 銅板製ヒートスプレッダ
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining that a heat sink copper plate is soldered to the back surface of a test body manufactured in Example 1 and a copper plate heat spreader is soldered to the front surface. [Description of Signs] 1 heat sink copper plate 2 solder layer 3 copper foil on heat sink side 4 aluminum nitride substrate 5 copper foil on element mounting side 6 solder layer 7 copper plate heat spreader

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業 株式会社 大牟田工場内 (56)参考文献 特開 平7−69750(JP,A) 特開 昭59−150453(JP,A) 特開 平3−114289(JP,A) 特開 平3−141169(JP,A) 特開 昭59−40404(JP,A) 特開 平7−257973(JP,A) 特公 平3−51119(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 41/88 H01L 23/373 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yoshihiko Tsujimura 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Prefecture Inside the Omuta Plant of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. (56) References JP-A-7-69750 (JP, A) JP-A-59- 150453 (JP, A) JP-A-3-114289 (JP, A) JP-A-3-141169 (JP, A) JP-A-59-40404 (JP, A) JP-A-7-257973 (JP, A) JP-B 3-51119 (JP, B2) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 41/88 H01L 23/373

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】表面から100μm以内の部分に存在する
粒界層の割合Esが8〜20%で、厚み方向の中心部分
から±100μm以内の部分に存在する粒界層の割合E
iが16%以下であり、しかもEs/Eiが1.25以
上である窒化アルミニウム基板の素子搭載側とヒートシ
ンク側のそれぞれの面に厚み0.075〜0.2mmの
銅箔が設けられてなることを特徴とする絶縁放熱板。
(57) [Claims] [Claim 1] Exists in a portion within 100 μm from the surface
The ratio Es of the grain boundary layer is 8 to 20%, and the central portion in the thickness direction
Of the grain boundary layer existing in a portion within ± 100 μm from
i is 16% or less, and Es / Ei is 1.25 or less
An insulating radiator plate comprising: a copper foil having a thickness of 0.075 to 0.2 mm provided on each of an element mounting side and a heat sink side of an upper aluminum nitride substrate.
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