JP3583019B2

JP3583019B2 - 放熱配線基板の接合構造

Info

Publication number: JP3583019B2
Application number: JP12314499A
Authority: JP
Inventors: 和幸小薄; 清横山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000315756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、新幹線、地下鉄、通勤電車、エレベータ、ロボット、クレーンや空調装置等に搭載されるパワーデバイスであるＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、半導体素子が収容搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等で、大電流を流すことが可能な低抵抗配線導体を有する放熱配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワーデバイスは、最も歴史のある半導体素子であるが、近年、高耐圧化、大電流化、高速・高周波化、高機能化が著しく進み、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＰＭ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の高速のＭＯＳ系パワーデバイスが出現するに至った。これらのパワーデバイスは、自動車、インバータ電車、ストロボ、電子レンジ、ゴルフカート等に広く利用されている。しかしながら、環境問題を背景にハイブリッド車、電気自動車が一般に普及しつつある昨今では、これらのパワーデバイス、特にＩＧＢＴの耐高電圧化、小型化、薄型化、軽量化が要求されている。
【０００３】
放熱配線基板としては、特開平７−１６２１５７号公報では、『複数の絶縁層からなる多層基板上にパワー素子を配置し、一以上の絶縁層のパワー素子下部領域に前記パワー素子の熱伝達用導体を充填したことを特徴とする多層基板。』が提案され、特開昭６３−１２０４４８号公報では、放熱用基板として、『低熱膨張性金属材料の繊維からなる基材に、放熱性の良い金属材料を含浸させてなる放熱用基板。』が提案されている。これらの基板は、例えば、半導体素子収納用パッケージに適用した場合には、その絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラスあるいは樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定すると共に、半導体素子の各電極が凹部周辺に位置する配線導体にワイヤボンディングを介して電気的に接続され、金属やセラミックスなどからなる蓋体を前記凹部をふさぐように前記接着剤と同様の封止剤を介して接合し、絶縁基体の凹部内に半導体素子を機密に収容することにより最終製品としての半導体装置としていた。これらの基板は絶縁基板として使用され、ランクサイド（Ａｌを含浸ＳｉＣファイバー）などの放熱板に接着する事で放熱配線基板を形成していた。図７に従来の放熱配線基板の模式図を示す。
【０００４】
ラジエター４にランクサイド等からなる放熱基板１２がネジ締めによって接合され、その上に半田１０からなる層を介して両面アルミニウム８貼りの窒化アルミニウム基板９が絶縁体として接合されている。その上に半導体素子１がマウントされる構造となっている。
【０００５】
これらの用途に使用される放熱配線基板は、当然の事ながら半導体素子で発生した熱を効率良くラジエターなどのヒートシンクに伝達しなければならない。一般的に自動車では、図７に示した構造において、放熱基板１２に丸穴を空け、さらにラジエター４にネジ穴を空け、Ｍ６程度のネジで放熱基板１２の四隅を６±１Ｎｍのトルクでラジエター４に締め付けて固定していた。
【０００６】
しかしながら、前記従来の多段構造の放熱配線基板では、冷却効率が不十分であり、冷却効率を高めるために冷媒が流れるラジエターに直接接合されるような用途、例えば、環境問題への取り組みから登場を余儀なくされているハイブリッド車、電気自動車には適用できなかった。
【０００７】
このため、本発明者等は、図８に示すように半導体素子１を搭載した窒化アルミニウム等の放熱配線基板３を直接ラジエター４にネジで固定する構造を提案した。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８に示すように窒化アルミニウム等のセラミックスからなる放熱配線基板３を直接ネジ６で接合したものでは、ネジ６と放熱配線基板３との間のワッシャーの硬度が高いと、ネジ６を締め込む際に片当たりが発生し、ワッシャーの基板の締め付け部分に割れまたは破損が発生し、固定不可能になる。また、ワッシャーの硬度が低いと、ワッシャーが変形しすぎて、ネジ６を締め込むことができないという第一の課題があることが判った。
【０００９】
また、図８に示す構造では、放熱配線基板３のそりを考慮していない為、基板中心部分の放熱配線基板３とラジエター４の密着性が悪く、良好な放熱特性が得られないという第二の課題があった。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
前記第一の課題に対し、本発明は、窒化アルミニウム、窒化珪素の中から選ばれる少なくとも一種以上を主成分とするセラミックスからなり、半導体素子を実装するための配線導体層を有し、かつ四隅に丸穴をあけた放熱配線基板と、その下部に配置したヒートシンクとを、上記丸穴を介して硬度２５〜７０ｋｇ／ｍｍ^２のワッシャを用いてネジ締めによって接合したことを特徴とする。
【００１１】
また、第二の課題に対し、本発明は、窒化アルミニウム、窒化珪素の中から選ばれる少なくとも一種以上を主成分とするセラミックスからなり、半導体素子を実装するための配線導体層を有し、厚さ０．３ｍｍ以上、面積３０ｃｍ^２以上の放熱配線基板を、ヒートシンクとの接合面側が凸となるように反り量２０〜６００μｍで反らせたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の放熱基板であれば、下に凸のそりを持った基板をヒートシンクに締め付けるので、放熱基板とヒートシンクとの密着性が良く、特に放熱基板中央部の密着性が良くなる為、ヒートシンクとのネジ締め接合による熱抵抗の少ない放熱配線基板が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による放熱配線基板３の平面図および断面図を図１、２に示す。
【００１４】
図１に示すように、放熱配線基板３の四隅にはＭ６（直径６ｍｍ）程度のネジ穴５が形成され、中央部には不図示の半導体素子を搭載するための低抵抗の配線導体層２が載置されている。また、図２（ａ）には、ラジエター４に本発明の放熱配線基板３がネジ６にて直接ネジ締め接合されている様子を示してある。図２（ｂ）は、本発明のワッシャ７の構造を示した平面図と側面図である。
【００１５】
放熱配線基板３を構成する材質は、熱伝導性が良好で電気絶縁性良な窒化珪素、窒化アルミニウムから選ばれる一種以上を主成分とするセラミックスであることが望ましい。また、その主たる焼結助剤としては、酸化エルビウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウムの中から選ばれる一種以上であることが望ましい。主焼結助剤を酸化エルビウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウムの中から選ばれる少なくとも一種とした理由は、本発明者らの知見では、窒化アルミニウムからなる放熱配線基板３の強度、破壊靱性がこれらの焼結助剤を使用した場合に最も大きくなるからである。そして、このことは、固定する際の割れまたは破損の防止に大きく寄与する。
【００１６】
上記の材質からなる放熱配線基板３とその下部に配置したヒートシンクであるラジエータ４とがそのネジ穴５を介してネジ締めによって一体化されており、ネジ締めを行う際に使用するワッシャ７の硬度は、２５〜７０ｋｇ／ｍｍ^２としてある。
【００１７】
その理由は、マイクロビッカース硬度が７０ｋｇ／ｍｍ^２以上のワッシャ７を使用した場合には、図６（ｃ）に示すようにワッシャ７が固すぎる為、ネジ６を締めつけていった際にネジ６が変形せずに放熱配線基板３の締め付け部分のうねりを吸収できない為、ある一点に集中荷重が発生し、放熱配線基板３自体がこの集中荷重に耐えきれなくなり放熱配線基板３に割れまたは破損が発生する。
【００１８】
また、ワッシャ７のマイクロビッカース硬度が２５ｋｇ／ｍｍ^２以下では、図６（ａ）に示すようにワッシャ７が柔らかすぎて変形しすぎてしまうため、固定が不可能になる。
【００１９】
具体的なワッシャ７の材質としては、アルミニウムや意図的に１０％程度の気孔率を持たせた銅などが好ましい。また、ここで言うワッシャ７の硬度とは、マイクロビッカース硬度計で荷重１００ｇ、時間１５秒の条件で測定した値である。
【００２０】
本発明の放熱配線基板３は、半導体素子１実装のための配線導体層２としてＣｕ、Ａｌ、Ａｇの中から選ばれる少なくとも一種以上の金属箔が前記セラミックス基板上で一体化されていることが望ましい。また、本発明をパワーモジュールとして使用する場合には、バスバー用としてＣｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏの中から選ばれる少なくとも一種以上の金属層が前記放熱配線基板３上で一体化されていることが望ましい。
【００２１】
次に、第二の発明について説明する。図３に示すように、理想的な放熱配線基板３の構造と放熱配線基板３を固定する相手材との密着性を鋭意検討の結果、厚さ０．３ｍｍ以上、面積３０ｃｍ^２以上である窒化アルミニウム、窒化珪素の中から選ばれる少なくとも一種以上からなるセラミック製の放熱配線基板３であって、放熱配線基板３の反り方向がヒートシンクとの接合面側に凸であり、なおかつその反り量が６００μｍ以下、２０μｍ以上である放熱配線基板３が最適である事を見出した。
【００２２】
即ち、図３（ａ）に示すように下に凸の反りを持つ放熱配線基板３を用い、図３（ｂ）に示すようにヒートシンクであるラジエータ４に締め付ける事により、放熱配線基板３の中央部の密着性を良くし、放熱配線基板３全体で浮き部のない密着性を実現する事ができるからである。逆に下に凹では、いくら放熱配線基板３の四隅を締め付けても、中央部に浮き部が発生し、さらに中央部分を締め付けても放熱配線基板３全体でみれば、浮き部の発生は解消できないからである。
【００２３】
なおかつ下に凸の反り量が基板全体に対し２０μｍ以下では、中央部の密着性が損なわれ、６００μｍ以上では、放熱配線基板３をねじ止めにて固定する際に放熱配線基板３に割れが発生する。厚さ０．３ｍｍ以上、面積３０ｃｍ^２以上と形状を限定した理由は、これより小さいあるいは薄い放熱配線基板３では、その放熱特性が特に放熱配線基板３の反りに依存しないからである。
【００２４】
また、本発明を放熱配線基板３として使用する場合には、半導体素子１実装のための配線導体層２としてＣｕ、Ａｌ、Ａｇの中から選ばれる少なくとも一種以上の金属箔が前記放熱配線基板３上で一体化されていることが望ましい。
【００２５】
さらに、本発明をパワーモジュールとして使用する場合には、バスバー用としてＣｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏの中から選ばれる少なくとも一種以上の金属層が前記放熱配線基板３上で一体化されていることが望ましい。
【００２６】
上記放熱配線基板３を構成する窒化アルミニウム又は窒化ケイ素の主焼結助剤が、酸化イットリウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウムの中から選ばれる少なくとも一種以上であることを特徴とする。これは、本発明者らの知見では、窒化アルミニウム、窒化ケイ素ともにこの焼結助剤を使用した場合がもっとも破壊靱性、破壊強度が向上するため、本発明の用途に好ましい。
【００２７】
以上の図３の実施形態において、放熱配線基板３と相手材との固定方法には以下の二種類がある。一つは、図４に示すように、放熱配線基板３に一カ所以上のネジ穴５を形成し、そのネジ穴５にＭ６のネジ６で５Ｎｍ以上の締め付けトルクで締め付ける固定構造であり、他方は図５に示すように、放熱配線基板３を固定する相手材に二カ所以上の貫通穴を形成し、その貫通穴にＭ６のネジ６で５Ｎｍ以上の締め付けトルクで固定金具１１を締め付け、その固定金具１１で放熱配線基板３を固定する固定構造である。
【００２８】
以下、本発明の放熱配線基板の製造方法を図３を用いて説明する。
【００２９】
窒化アルミニウムと焼結助剤からなるセラミックス粉末に所定のバインダーを添加し、ドクターブレード法によりテープ成形して得られたテープ上に、Ｗを主成分とするペーストをプリントした。しかる後に脱脂工程を通した後、窒素雰囲気中１６５０〜１８００℃で焼成し、Ｗメタライズを有する窒化アルミニウム基板を得た。その後、Ｗメタライズ上にＮｉメッキを施し、半導体素子実装のための低抵抗導体２として銅板２を活性金属法にて接合した。この際２０μｍ〜６００μｍの「下に凸」の反りを得るためには、低抵抗導体２を接合する際の窒化アルミニウムからなる放熱配線基板３と低抵抗導体２のヤング率、熱膨張係数の差を考慮し、低抵抗導体２と窒化アルミニウムからなる放熱配線基板３を焼き付ける際にどのくらいの反りが発生するかを予測しなければならない。特に低抵抗導体２の厚み、面積、形状に留意しなければならない。これらと窒化アルミニウムからなる放熱配線基板３の強度、厚みとの相乗効果で反り量が決定される。
【００３０】
【実施例】
実施例１
以下に第一の発明についての具体的実施例を示す。窒化アルミニウムと焼結助剤からなるセラミックス粉末に所定のバインダーを添加し、ドクターブレード法によりテープ成形して得られたテープ上に、Ｗを主成分とするペーストをプリントした。しかる後に脱脂工程を通した後、窒素雰囲気中１６５０〜１８００℃で焼成し、Ｗメタライズを有する窒化アルミニウムからなる放熱配線基板３を得た。
【００３１】
その後、Ｗメタライズ上にＮｉメッキを施し、半導体素子実装のための配線導体層２として銅板を活性金属法にて接合した。放熱配線基板３の締め付け方法は、図１、２に示すように四隅をワッシャ７を介してネジ締めして固定した。
【００３２】
締め付けトルクは各々表１に示した。また、本実施例に用いたワッシャーの形状は、図２（ｂ）に示すように外径１２ｍｍ、内径７ｍｍ、厚み０．５ｍｍであった。ラジエータ４には、本発明の放熱配線基板３がネジ６によって直接ねじ締め接合されている。そのネジを締めつける際のトルクレンチで測定したトルクを締め付け結果の欄に示した。
【００３３】
表１に示したように、ワッシャ硬度８０ｋｇ／ｍｍ²のＮｏ．８は締め付けトルク２Ｎｍで破損した。また、ワッシャ硬度２０ｋｇ／ｍｍ²のＮｏ．７は締め付けができなかった。これに対し、本発明の範囲のワッシャ硬度２５ｋｇ／ｍｍ²より大きく７０ｋｇ／ｍｍ²未満であるＮｏ．１〜４は、締め付けトルク６〜１２Ｎｍで良好な締め付けができた。
【００３４】
また、主焼結助剤をＮｄ_２Ｏ_３としたＮｏ．９は、ワッシャ硬度が本発明の範囲内の５０ｋｇ／ｍｍ^２のものを用いても、締め付けトルク３Ｎｍで放熱配線基板３に割れが発生した。これに対し、Ｎｏ．１〜６に示したようにＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３を主焼結助剤に用いたものは、締め付けトルク６〜１２Ｎｍで良好な締め付けができた。
【００３５】
【表１】

【００３６】
実施例２
以下に第２の発明に関する具体的実施例を示す。窒化アルミニウムと焼結助剤からなるセラミックス粉末に所定のバインダーを添加し、ドクターブレード法によりテープ成形して得られたテープ上に、Ｗを主成分とするペーストをプリントした。しかる後に脱脂工程を通した後、窒素雰囲気中１６５０〜１８００℃で焼成し、Ｗメタライズを有する窒化アルミニウムからなる放熱配線導体基板３を得た。
【００３７】
その後、Ｗメタライズ上にＮｉメッキを施し、半導体素子実装のための配線導体層２として銅板を活性金属法にて接合した。放熱配線基板３の締め付け方法は、図３に示すように四隅をワッシャ７を介してネジ締めして固定した。基板の厚みは１．５ｍｍ、面積は５０ｃｍ^２とした。
【００３８】
本発明者らが行った放熱試験とは、セラミックス基板の四隅に直径８ｍｍの丸穴を開け、疑似ラジエターとして厚み２０ｍｍのアルミニウムブロックを用意し、アルミニウムブロックにＭ６のネジ穴を開け、Ｍ６六角穴付きボルトをトルクレンチでアルミニウムブロックに締め付けることにより、放熱配線基板３を固定した。その後、実際に放熱配線基板３にヒータにて熱を加え、放熱配線基板３上の温度とアルミブロックの反対側の温度を測定し、その温度差を測定した。実施例には、もっとも放熱特性の良かった６００μｍの際の温度差を１．００とし、比で温度差を表した。放熱配線基板からの発熱がアルミニウムブロック側へうまく伝達されないと、放熱配線基板の温度が上昇するので、温度差の比が１．００を越えて大きくなるに従い、放熱特性が悪くなることを示している。
【００３９】
その結果を表２に示した。表２から判るように、反り量が本発明の請求範囲外の２５０μｍのＮｏ．７は、締め付けにより放熱配線基板３が割れてしまう。また、反り方向が「上に凸」であるＮｏ．８は、放熱特性が１．５０と低下する。反り方向が「下に凸」であるが反り量が１０μｍと小さ過ぎる場合、やはり放熱特性が１．６５と低下する。これに対し、本発明の請求範囲内であるＮｏ．１〜６、即ち反り方向が「下に凸」であり反り量が２０〜２００μｍである放熱配線基板３は、割れの発生もなく放熱特性も１．００〜１．１０と良好であることが判った。
【００４０】
【表２】

【００４１】
【発明の効果】
窒化アルミニウム、窒化珪素の中から選ばれる少なくとも一種以上を主成分とするセラミックスからなり、半導体素子を実装するための配線導体層を有し、かつ四隅に丸穴を備えた放熱配線基板と、その下部に配置したヒートシンクとを、上記丸穴を介して硬度２５〜７０ｋｇｆ／ｍｍ^２のワッシャを用いてネジ締めによって接合したことにより、基板の割れや破損を生じることなく、放熱配線基板とヒートシンクを強固い接合することができる。
【００４２】
また、厚さ０．３ｍｍ以上、面積３０ｃｍ^２以上である窒化アルミニウム、窒化珪素の中から選ばれる少なくとも一種以上を主成分とするセラミックスからなる放熱配線基板であって、基板の反り方向がヒートシンクとの接合面側に凸となっており、その反り量が６００μｍ以下、２０μｍ以上であることにより、放熱配線基板の割れや破損がなく放熱特性良好な放熱配線基板の接合構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放熱配線基板の接合構造を示す平面図である。
【図２】（ａ）は本発明の放熱配線基板の接合構造を示す断面図、（ｂ）はこれに用いるワッシャを示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の放熱配線基板のネジ締め前の状態を示す断面図であり、（ｂ）はネジ締め後の状態を示す断面図である。
【図４】本発明の放熱配線基板の接合構造を示す平面図である。
【図５】本発明の放熱配線基板の接合構造の他の実施形態を示す平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はワッシャの硬度と固定状態を説明するための断面図である。
【図７】従来の放熱配線基板を示す断面図である。
【図８】従来の放熱配線基板を示す断面図である。
【符号の説明】
１：半導体素子
２：低抵抗導体
３：放熱配線基板
４：ラジエータ
５：ネジ穴
６：ネジ
７：ワッシャー
８：アルミニウム
９：窒化アルミニウム基板
１０：半田
１１：固定金具
１２：放熱基板

Claims

窒化アルミニウム、窒化珪素の少なくとも一種を主成分とし、主焼結助剤として酸化エルビウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウムの少なくとも一種以上を含有するセラミックスからなり、半導体素子実装のための配線導体層を備えるとともに、四隅に丸穴を有する放熱配線基板と、その下部に配置したヒートシンクとを、上記丸穴を介して硬度が２５ｋｇｆ／ｍｍ ² より大きく７０ｋｇｆ／ｍｍ ² 未満のワッシャを用いて、ネジ締めによって接合したことを特徴とする放熱配線基板の接合構造。
上記放熱配線基板は、厚さ０．３ｍｍ以上、面積３０ｃｍ²以上であり、かつ上記ヒートシンクとの接合面側が凸となるように２０〜６００μｍの反り量で反っていることを特徴とする請求項１記載の放熱配線基板の接合構造。
半導体素子実装のための配線導体層としてＣｕ、Ａｌ、Ａｇの少なくとも一種以上の金属箔が上記放熱配線基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱配線基板の接合構造。
上記放熱配線基板上に、バスバー用としてＣｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種以上の金属層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱配線基板の接合構造。