JP4013423B2 - セラミックス層と金属導体層の接合体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用の放熱基板として好適なセラミックス層と金属導体層との接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の電子部品用の基板として従来から使用されていた低熱伝導率のアルミナや毒性で問題のあるＢｅＯに代わり、高熱伝導率で高絶縁性であると共に毒性の無い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が用いられるようになってきた。
【０００３】
中でもロボット用あるいは自動車や電車用等のパワーモジュール用半導体チップ及び高集積高出力半導体チップは発熱量が大きいため、半導体素子で発生した熱を速やかに放散除去しなければ、半導体素子が自らの熱によって加熱されて誤動作を引き起こす危険がある。そのため、このような発熱量が大きな半導体チップを搭載する基板には、高い放熱特性を有するものが必要である。
【０００４】
例えば、パワーモジュール用のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップでは、その基板の下に大電流を流せ且つ熱を効率よく放熱できるＡｌやＣｕのような高導電率で高熱伝導率の金属導体層を配置し、その下に高熱伝導率の絶縁基板を配置するという方法が用いられている。尚、熱伝導率を比較すると、酸化アルミニウムが２０〜３０Ｗ／ｍＫであるのに対し、窒化アルミニウムは５０〜２５０Ｗ／ｍＫ、窒化ケイ素は３０〜１３０Ｗ／ｍＫと高いため、窒化アルミニウムや窒化ケイ素の方が絶縁基板として好ましい。
【０００５】
また、絶縁基板と金属導体層の間は、種々の方法で接合される。例えば、両者の間にＴｉを含んだＡｇ−Ｃｕロウ材のような活性金属ロウ材を挟み、高真空中でロウ材を加熱溶融して金属導体層とセラミックスの絶縁基板を接合する方法がある。また、ＷやＭｏのような高融点金属に窒化アルミニウムと高融点金属の両者に濡れ性の良いガラスを添加して、窒化アルミニウム表面に不活性雰囲気中で加熱して焼き付け、ＮｉやＡｕのメッキを施してロウ材との濡れ性を改善したうえで、ロウ材で接合する方法もある。あるいは、表面を酸化した窒化アルミニウム表面上にＣｕ板を置き、Ｃｕの融点（１０８３℃）よりやや低い温度で加熱してＣｕ−Ｏ共晶を介して直接接合する方法もある。
【０００６】
上記したいずれの方法も、窒化アルミニウムや窒化ケイ素等の絶縁基板と金属導体層を接合する際に、７００℃以上の高温に加熱する必要がある。ところが、熱膨張率は窒化アルミニウムが４.５×１０−６／ｄｅｇ、窒化ケイ素が３.５×１０−６ｄｅｇと低いが、金属導体層はＣｕで１６.８×１０−６／ｄｅｇ、Ａｌで２３.１×１０−６／ｄｅｇと高いため、高温で接合した後室温まで冷却すると、接合界面に熱応力が発生する。その結果、窒化アルミニウムや窒化ケイ素は金属導体層に比べて引っ張り応力に対する強度が低いため、熱応力により割れたりクラックが入りやすい。また、冷却時に割れやクラックが入らなくとも、ヒートサイクルを負荷することにより割れやクラックを生じてしまう。
【０００７】
このような熱応力を緩和して、窒化アルミニウム等の絶縁基板に発生する割れやクラックを抑えることは、製品信頼性の上で非常に重要である。熱応力を緩和する方法としては、例えば、セラミックスと金属導体層の間に熱膨張率がセラミックスと近いＷ板を挟み込むことにより、熱応力がセラミックでなくＷ板に掛かるようにする方法がある。また、セラミックスに接合する金属導体層として塑性変形能の高いＡｌやＣｕの薄板を用い、熱応力が掛かった時、ＡｌやＣｕの金属導体層表面が塑性変形することによって、熱応力を吸収緩和するという方法も知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の金属導体層としてＡｌ又はＣｕの薄板を用いる方法では、ＡｌやＣｕが厚板になると塑性変形しにくくなり、逆に熱応力をセラミックス側に掛けるようになるため、出来るだけ薄くすることが望ましい。しかるに、窒化アルミニウムや窒化ケイ素は高熱伝導率とはいえ、窒化アルミニウムが５０〜２５０Ｗ／ｍＫ及び窒化ケイ素が３０〜１３０Ｗ／ｍＫであり、２７０Ｗ／ｍＫのＡｌ及び３９０Ｗ／ｍＫのＣｕの方が熱放散能力が高いため、熱放散性を高めるためには、半導体チップと直接接するＡｌやＣｕの金属導体層を出来るだけ厚くすることが好ましい。
【０００９】
このように、金属導体層としてのＡｌやＣｕの厚みについては、熱応力緩和の観点からは出来るだけ薄くすることが好ましく、熱放散の観点からは逆に出来るだけ厚くする方が良いという、相反する関係にある。従って、この熱応力に関する制約から、金属導体層としてのＣｕやＡｌの厚みは最大０.３〜０.４ｍｍ程度が上限であり、その結果として満足すべき熱放散効果が得られないという問題があった。
【００１０】
また、上記した従来のセラミックスと金属導体層の接合方法は、いずれも高温に加熱する必要がある。例えば、ＡｌとセラミックスをＡｌ−Ｓｉロウ材で接合する場合は４００〜６００℃、金属導体層とセラミックスを活性金属ロウ材やＡｇ−Ｃｕ等のロウ材で接合する際は７００〜９００℃、窒化アルミニウムとＣｕ板を直接接合する場合は１０００〜１０８３℃という高温で接合する。
【００１１】
このため、接合には大掛かりな炉を必要とするうえ、金属導体層及びロウ材は大気中で高温に曝されると酸化されて劣化するため、高真空中又はＮ２、Ｈ２、Ａｒ等の非酸化性ガス雰囲気、若しくはこのような非酸化性ガスに微量の酸素を含むガス雰囲気中で接合する必要がある。従って、接合に用いる炉や耐熱セッターは高価になり、接合に要する費用も高くなる。更に、ＡｌやＣｕの薄板を用いたとしても、接合温度から冷却する過程で発生する熱応力により、接合界面に損傷が発生することは避けられない。
【００１２】
一方、金属導体層の熱応力をセラミックに掛かりにくくする構造として、特開平９−２７５１６５号公報には、導電箔を接合材を介して絶縁性基板に接合した回路において、Ｔｉ入りの銀ロウ等の接合材の端部が導電箔端部より外側に存在するようにして、導電箔の熱応力をＴｉ入り銀ロウ等で受けて絶縁基板に掛からないようにする方法が記載されている。
【００１３】
また、特開平９−２７５１６６号公報には、窒化アルミニウム基材上に設けた高融点金属化層に金属介在層を介して導体層を接合し、導体層から窒化アルミニウム基材に掛かる熱応力を熱膨張係数が窒化アルミニウムとほぼ同じＷやＭｏのような高融点金属で受けて、その下の窒化アルミニウムに掛からないようにするため、導体層の長さ及び幅を高融点金属化層及び金属介在層より０.０５ｍｍ以上短くする方法が示されている。
【００１４】
これらの方法も熱応力を緩和する効果は認められ、上記各公報によれば１０００サイクルのヒートサイクルでクラック等の発生は認められなかったとされる。しかし、いずれの方法も常温での接合はできず、接合温度は前記の場合と同様に５００℃以上の高温であるため、熱応力を低減することは出来ても完全に抑え込むことは困難である。そのため、これらの方法を採用したとしても、ヒートサイクルを更に長時間行うと問題が発生する可能性を否定できない。また、高温で接合するため、ヒーター及び断熱材を備えた炉その他の設備が必要となり、接合に要する費用も高くなってしまう。
【００１５】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、金属導体層と接合されるセラミックス層に熱応力が発生せず、従って接合に要する費用を大幅に低減できると共に、厚い金属導体層を用いることが可能な、熱放散性の良好なセラミックス層と金属導体層の接合体を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックス層と金属導体層の接合体は、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス層と、該セラミックス層上に積層した銅又はアルミニウム若しくはそれらの合金からなる金属導体層とを、両者の側面から絶縁材料で保持して機械的に固定接合したことを特徴とする。
【００１７】
上記本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体においては、前記セラミックス層と金属導体層との間に、高熱伝導樹脂ペーストを介在させることができ、その場合の高熱伝導樹脂ペーストは熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００１８】
また、上記本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体は、その絶縁材料がセラミックス層の金属導体層と反対側の表面に接した金属板にネジ止めされていることを特徴とする。このセラミックス層と金属板の間には、高熱伝導樹脂ペーストを介在させることができる。尚、絶縁材料にネジ止めされた金属板は、ラジエーター又はラジエーターに接合された金属に接合される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体は、基本的には図１に示すように、セラミックス層１の上にＣｕ又はＡｌ若しくはそれらの合金からなる金属導体層２を積層し、両者の側面から絶縁材料３で保持して機械的に固定接合した構造を有している。尚、図１〜６には、機械的な固定の具体的な状況は示していない。セラミックス層１は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いる。また、絶縁材料としては、電気絶縁性の樹脂又は電気絶縁性のセラミックスが好ましい。
【００２０】
このような構造を有する本発明の接合体では、高温での接合方法によることなく、セラミックス層と金属導体層とを機械的に固定接合することができる。そのため、高真空中や不活性雰囲気中で高温で加熱する必要がないため、接合に高価な炉や耐熱セッターを用いる必要がなく、接合に要する費用を従来よりも大幅に低減することが可能となる。また、ＡｌやＣｕのような金属導体層とセラミックスを、活性金属ロウ材を用いて接合したり直接接合したりすると、接合後冷却による熱応力あるいはヒートサイクル時の熱疲労は避けられない。しかし本発明方法によると、接合界面に熱応力や熱疲労が発生しないため、耐ヒートサイクル性において飛躍的な改善効果が得られる。
【００２１】
更に、熱応力や熱疲労の効果は金属導体層を厚くするほど大きくなり、従来金属導体層の厚み上限はせいぜい０.４ｍｍ程度であった。しかし本発明方法によれば、ＡｌやＣｕのような金属導体層を厚くしても、熱応力が発生することがないため、接合冷却応力やヒートサイクル時の熱応力でセラミックス層が割れたりクラックが入ったりすることがない。従って、金属導体層として厚いＡｌ板やＣｕ板を半導体チップの下に配置することによって、半導体チップで発生した熱を非常に効率よく放熱することができる。特に金属導体層の厚みを、従来よりも厚い０.５ｍｍ以上とすることができ、その結果モジュール全体の放熱性を格段に高めることができる。尚、金属導体層の厚みは必要以上に厚すぎるとコストアップになるため、上限は５ｍｍが好ましい。
【００２２】
金属導体層に搭載された半導体チップで発生した熱は、金属導体層を介してセラミックス層に伝わり、更にラジエーター等に伝えて水冷又は空冷等により放散しなければならない。そのため、図２に示すように、セラミックス層１と金属導体層２を絶縁材料３で固定した本発明の接合体は、更にラジエーター等の放熱板である金属板４に固定する。その場合、絶縁材料３に開けた貫通穴にボルト５を通してネジ止めするか、あるいは絶縁材料３の外側から全体をネジ止めして固定すれば、接合体の反りを抑えることができるうえ、全ての工程を室温で行うことが出来るため、コスト的にも非常に有利である。
【００２３】
上記した本発明の接合体において、絶縁材料によるセラミックス層と金属導体層の機械的な固定方法としては、例えば、積層したセラミックス層と金属導体層の側面の周りに溶融した樹脂を流し込み、固化させた後に不要部分を除去する方法がある。また、セラミックス層と金属導体層を、予め所定の形状に加工した絶縁材料に嵌め込んだり、所定形状の絶縁材料で側面から締め付けて保持することもできる。電気絶縁性の樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、あるいはＰＰＳに絶縁性のガラスを少量添加したもの等がある。電気絶縁性のセラミックスとしては、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等があり、保持強度を考えると酸化ジルコニウム、窒化ケイ素が好ましい。
【００２４】
尚、後者の予め所定形状に形成した絶縁材料を用いる方法の場合、絶縁材料は一体的な枠状であることが好ましいが、複数に分割されていても最終的に前記したネジ止めにより金属板に固定した状態では、セラミックス層と金属導体層の固定接合が可能である。また、セラミックス層と金属導体層の大きさは、図１等に示すようにセラミックス層より金属導体層が小さい方が絶縁材料で保持しやすいが、両者が同じ大きさであっても固定接合することができる。
【００２５】
上記した本発明の接合体は、セラミックス層と金属導体層の間に熱伝導を阻害する空気を巻き込まないよう、図３に示すごとく、セラミックス層１と金属導体層２の間に高熱伝導樹脂ペースト６ａを介在させることができる。この高熱伝導樹脂ペースト６ａも、熱伝導を阻害しないように、熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２６】
また、図４に示すように、セラミックス層１の金属板に固定される側、即ち金属導体層２と反対側の表面１ａを絶縁材料３より突き出して設ければ、前記のごとくラジエーター等の金属板に固定する場合に絶縁材料３が邪魔にならず、両者を確実に密着させることができる。尚、固定作業上、通常は、この突き出し量は０.１ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００２７】
更に、図５に示すように、絶縁材料３を金属導体層２の半導体素子搭載面上、即ちセラミックス層１と反対側の表面上にオーバーハングさせて上端縁部３ａを形成すれば、この上端縁部３ａにより金属導体層２とセラミックス層１を上下方向に押えて、より確実に固定することができる。この上端縁部３ａは、半導体チップやワイヤーボンドの妨げにならない程度に、例えば金属導体層２の外周部から突き出していることが好ましい。尚、固定作業上、通常は、この突き出し量は０.１ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００２８】
金属導体層であるＡｌやＣｕ板は熱膨張率が大きいため、モジュールの実際の使用環境下において、金属導体層が伸びて絶縁材料に当たることがある。これを防ぐため、上記した絶縁材料３の上端縁部３ａで金属導体層２を上から押える構造の場合、図６に示すように、金属導体層２の側面と絶縁材料３との間に隙間２ａを設けておくことができる。この隙間は、金属導体層と絶縁材料との組合せにもよるが、本発明の両者の組合せ範囲においては、望ましくは０.１ｍｍ以上とする。尚、この隙間は、広すぎても側面からの保持が難しくなる。即ち、隙間が広すぎると絶縁材料３の上端縁部３ａでのみ保持することになり、保持力が得難くなることもある。従って、絶縁材料の強度及び上端縁部の厚みにもよるが、５ｍｍ以下とすれば保持力が得られやすい。それ故、この隙間は５ｍｍを上限とするのが望ましい。
【００２９】
上記の図３〜図６のごとく構成した接合体も、図２の場合と同様に、図７に示すように、金属板４に絶縁材料３に開けた貫通穴にボルト５を通してネジ止めするか、絶縁材料３の外側から全体をネジ止めして固定する。その際、セラミックス層１と金属板４の間に熱伝導を阻害する空気を巻き込まないよう、図８に示すように、セラミックス層１と金属板４間に高熱伝導樹脂ペースト６ｂを介在させることができる。この高熱伝導樹脂ペースト６ｂも、熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、望ましくは５Ｗ／ｍＫ以上である。
【００３０】
【実施例】
実施例１
２９×２９ｍｍ角で０.１ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、絶縁性の樹脂（フェノール樹脂）で両者を側面から固定した。この接合体の熱拡散率は０.６８ｃｍ２／ｓと良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.６９ｃｍ２／ｓと変化は無かった。
【００３１】
比較例１
２９×２９ｍｍ角で０.１ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後、室温まで冷却して取り出した。接合体は１０個作製したが、接合体に割れやクラックは見られなかった。接合体の熱拡散率を測定したところ、０.６７ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この１０個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、１０００サイクルで２個に窒化アルミニウム基板に微小なクラックが認められた。クラックの入っていない試料のヒートサイクル後の熱拡散率も０.６７ｃｍ２／ｓと変化はなかった。
【００３２】
実施例２
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、その周囲に絶縁性の樹脂を流し込んで固化させた後、不要部分を除去して、Ｃｕ板と窒化アルミニウム基板を側面から固定接合した。得られた接合体は図１の構造を有し、その熱拡散率は０.８５ｃｍ２／ｓと良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８６ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３３】
比較例２
実施例２と同じＣｕ板と窒化アルミニウム基板の間にＴｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中９個の窒化アルミニウム基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった１個の接合体について熱拡散率を測定したところ、０.８３ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この１個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５サイクルで窒化アルミニウム基板に大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３４】
実施例３
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.７７ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０×１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.７２ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３５】
比較例３
実施例３と同じＡｌ板と窒化アルミニウム基板の間に５０μｍ厚みのＡｌ−Ｓｉロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて５５０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中７個の窒化アルミニウム基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体３個について熱拡散率を測定したところ、０.７１ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この３個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５サイクルで窒化アルミニウム基板に３個とも大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３６】
実施例４
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率９５Ｗ／ｍＫを有する窒化ケイ素基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.４３ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０×１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化ケイ素基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４２ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３７】
比較例４
実施例４と同じＣｕ板と窒化ケイ素基板の間にＴｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中５個の窒化ケイ素基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体について熱拡散率を測定したところ、０.４０ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この５個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５０サイクルで窒化ケイ素基板基板に５個とも大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３８】
実施例５
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率９５Ｗ／ｍＫを有する窒化ケイ素基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.４５ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化ケイ素基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４６ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３９】
比較例５
実施例５と同じＡｌ板と窒化ケイ素基板の間に５０μｍ厚みのＡｌ−Ｓｉロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて５５０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中３個の窒化ケイ素基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体７個について熱拡散率を測定したところ、０.４０ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この７個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、１００サイクルで５個の窒化ケイ素基板に、１０００サイクルで残り２個の窒化ケイ素基板に大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００４０】
実施例６
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、予め所定の枠状に形成したＺｒＯ２に嵌め込んで側面から固定接合した。得られた接合体は図１の構造を有し、その熱拡散率は０.８６ｃｍ２／ｓと良好であった。その接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８８ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４１】
実施例７
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、実施例６と同様にしてＺｒＯ２にて側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.７０ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.７１ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４２】
実施例８
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、それぞれ熱伝導率が０.２、０.６、１.０Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。
【００４３】
得られた接合体は図３の構造を有し、その熱拡散率はそれぞれ０.４２、０.６４、０.８８ｃｍ２／ｓであった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルにそれぞれ１０個ずつ投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４１、０.６２、０.８９ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４４】
実施例９
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。その際、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせて残し、Ｃｕ板を押さえるように固定すると共に、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。
【００４５】
得られた接合体は図５の構造を有し、その熱拡散率は０.８６ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８４ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で５０μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４６】
実施例１０
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合し、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせると共に、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。その際更に、Ｃｕ板エッジと絶縁樹脂の間に０.５ｍｍの隙間が存在するように配置した。
【００４７】
得られた接合体は図６の構造を有し、その熱拡散率は０.８５ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８７ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で１０μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４８】
実施例１１
上記実施例１０で製造した接合体を、その絶縁樹脂に開けた貫通穴に通したボルトで金属板にネジ止めして上下方向に固定した。この接合体は図７の構造を有し、その熱拡散率は０.８３ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８５ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で５μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４９】
実施例１２
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板上に、Ｓｎ：Ｐｂ＝６：４の半田にてＩＧＢＴ半導体チップを接合した。３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板表面に、熱伝導率５Ｗ／ｍＫのＡｌＮをフィラーとして含ませた高熱伝導樹脂を塗布し、上記Ｃｕ板の裏面と重ねて押しつけ、間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。その際、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせて残し、Ｃｕ板エッジと絶縁樹脂の間に０.５ｍｍの隙間を設けるとともに、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。
【００５０】
得られた接合体の窒化アルミニウム基板の裏面に熱伝導率５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布し、この高熱伝導樹脂ペーストを挟んで接合体をＡｌ−ＳｉＣ製のヒートシンク上に載せ、絶縁樹脂に開けた貫通穴を通してボルトによりヒートシンクにネジ止めすることにより上下方向に固定した。このモジュール２０個を−４０〜＋１２５℃のヒートサイクルに投入して３０００サイクルの試験を行った結果、窒化アルミニウム基板及びその他の箇所に割れやクラックは全く認められなかった。その後、ＩＧＢＴチップを３００時間連続動作させても、ＩＧＢＴチップは正常に動作し続けていた。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウムや窒化ケイ素のようなセラミックス層に、Ｃｕ板やＡｌ板のような金属導体層をロウ材等を用いることなく非加熱で接合するため、引っ張り応力に弱いセラミックス層に熱応力を発生させず、損傷なく接合固定できるので、厚い金属導体層を用いて高い放熱性を得ることが出来る。また、常温で固定接合するため、高価な炉その他の設備を必要とせず、接合コストを大幅に低く抑えることが出来る。従って、本発明の接合体は、ＩＧＢＴチップを用いたパワーモジュールを初めとした発熱量の高いチップ等の放熱基板として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の一具体例を示す概略の断面図である。
【図３】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の他の具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図５】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図６】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図７】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の他の具体例を示す概略の断面図である。
【図８】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ セラミックス層
２ 金属導体層
２ａ 隙間
３ 絶縁材料
３ａ 上端縁部
４ 金属板
５ ボルト
６ａ、６ｂ 高熱伝導樹脂ペースト
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用の放熱基板として好適なセラミックス層と金属導体層との接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の電子部品用の基板として従来から使用されていた低熱伝導率のアルミナや毒性で問題のあるＢｅＯに代わり、高熱伝導率で高絶縁性であると共に毒性の無い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が用いられるようになってきた。
【０００３】
中でもロボット用あるいは自動車や電車用等のパワーモジュール用半導体チップ及び高集積高出力半導体チップは発熱量が大きいため、半導体素子で発生した熱を速やかに放散除去しなければ、半導体素子が自らの熱によって加熱されて誤動作を引き起こす危険がある。そのため、このような発熱量が大きな半導体チップを搭載する基板には、高い放熱特性を有するものが必要である。
【０００４】
例えば、パワーモジュール用のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップでは、その基板の下に大電流を流せ且つ熱を効率よく放熱できるＡｌやＣｕのような高導電率で高熱伝導率の金属導体層を配置し、その下に高熱伝導率の絶縁基板を配置するという方法が用いられている。尚、熱伝導率を比較すると、酸化アルミニウムが２０〜３０Ｗ／ｍＫであるのに対し、窒化アルミニウムは５０〜２５０Ｗ／ｍＫ、窒化ケイ素は３０〜１３０Ｗ／ｍＫと高いため、窒化アルミニウムや窒化ケイ素の方が絶縁基板として好ましい。
【０００５】
また、絶縁基板と金属導体層の間は、種々の方法で接合される。例えば、両者の間にＴｉを含んだＡｇ−Ｃｕロウ材のような活性金属ロウ材を挟み、高真空中でロウ材を加熱溶融して金属導体層とセラミックスの絶縁基板を接合する方法がある。また、ＷやＭｏのような高融点金属に窒化アルミニウムと高融点金属の両者に濡れ性の良いガラスを添加して、窒化アルミニウム表面に不活性雰囲気中で加熱して焼き付け、ＮｉやＡｕのメッキを施してロウ材との濡れ性を改善したうえで、ロウ材で接合する方法もある。あるいは、表面を酸化した窒化アルミニウム表面上にＣｕ板を置き、Ｃｕの融点（１０８３℃）よりやや低い温度で加熱してＣｕ−Ｏ共晶を介して直接接合する方法もある。
【０００６】
上記したいずれの方法も、窒化アルミニウムや窒化ケイ素等の絶縁基板と金属導体層を接合する際に、７００℃以上の高温に加熱する必要がある。ところが、熱膨張率は窒化アルミニウムが４.５×１０−６／ｄｅｇ、窒化ケイ素が３.５×１０−６ｄｅｇと低いが、金属導体層はＣｕで１６.８×１０−６／ｄｅｇ、Ａｌで２３.１×１０−６／ｄｅｇと高いため、高温で接合した後室温まで冷却すると、接合界面に熱応力が発生する。その結果、窒化アルミニウムや窒化ケイ素は金属導体層に比べて引っ張り応力に対する強度が低いため、熱応力により割れたりクラックが入りやすい。また、冷却時に割れやクラックが入らなくとも、ヒートサイクルを負荷することにより割れやクラックを生じてしまう。
【０００７】
このような熱応力を緩和して、窒化アルミニウム等の絶縁基板に発生する割れやクラックを抑えることは、製品信頼性の上で非常に重要である。熱応力を緩和する方法としては、例えば、セラミックスと金属導体層の間に熱膨張率がセラミックスと近いＷ板を挟み込むことにより、熱応力がセラミックでなくＷ板に掛かるようにする方法がある。また、セラミックスに接合する金属導体層として塑性変形能の高いＡｌやＣｕの薄板を用い、熱応力が掛かった時、ＡｌやＣｕの金属導体層表面が塑性変形することによって、熱応力を吸収緩和するという方法も知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の金属導体層としてＡｌ又はＣｕの薄板を用いる方法では、ＡｌやＣｕが厚板になると塑性変形しにくくなり、逆に熱応力をセラミックス側に掛けるようになるため、出来るだけ薄くすることが望ましい。しかるに、窒化アルミニウムや窒化ケイ素は高熱伝導率とはいえ、窒化アルミニウムが５０〜２５０Ｗ／ｍＫ及び窒化ケイ素が３０〜１３０Ｗ／ｍＫであり、２７０Ｗ／ｍＫのＡｌ及び３９０Ｗ／ｍＫのＣｕの方が熱放散能力が高いため、熱放散性を高めるためには、半導体チップと直接接するＡｌやＣｕの金属導体層を出来るだけ厚くすることが好ましい。
【０００９】
このように、金属導体層としてのＡｌやＣｕの厚みについては、熱応力緩和の観点からは出来るだけ薄くすることが好ましく、熱放散の観点からは逆に出来るだけ厚くする方が良いという、相反する関係にある。従って、この熱応力に関する制約から、金属導体層としてのＣｕやＡｌの厚みは最大０.３〜０.４ｍｍ程度が上限であり、その結果として満足すべき熱放散効果が得られないという問題があった。
【００１０】
また、上記した従来のセラミックスと金属導体層の接合方法は、いずれも高温に加熱する必要がある。例えば、ＡｌとセラミックスをＡｌ−Ｓｉロウ材で接合する場合は４００〜６００℃、金属導体層とセラミックスを活性金属ロウ材やＡｇ−Ｃｕ等のロウ材で接合する際は７００〜９００℃、窒化アルミニウムとＣｕ板を直接接合する場合は１０００〜１０８３℃という高温で接合する。
【００１１】
このため、接合には大掛かりな炉を必要とするうえ、金属導体層及びロウ材は大気中で高温に曝されると酸化されて劣化するため、高真空中又はＮ２、Ｈ２、Ａｒ等の非酸化性ガス雰囲気、若しくはこのような非酸化性ガスに微量の酸素を含むガス雰囲気中で接合する必要がある。従って、接合に用いる炉や耐熱セッターは高価になり、接合に要する費用も高くなる。更に、ＡｌやＣｕの薄板を用いたとしても、接合温度から冷却する過程で発生する熱応力により、接合界面に損傷が発生することは避けられない。
【００１２】
一方、金属導体層の熱応力をセラミックに掛かりにくくする構造として、特開平９−２７５１６５号公報には、導電箔を接合材を介して絶縁性基板に接合した回路において、Ｔｉ入りの銀ロウ等の接合材の端部が導電箔端部より外側に存在するようにして、導電箔の熱応力をＴｉ入り銀ロウ等で受けて絶縁基板に掛からないようにする方法が記載されている。
【００１３】
また、特開平９−２７５１６６号公報には、窒化アルミニウム基材上に設けた高融点金属化層に金属介在層を介して導体層を接合し、導体層から窒化アルミニウム基材に掛かる熱応力を熱膨張係数が窒化アルミニウムとほぼ同じＷやＭｏのような高融点金属で受けて、その下の窒化アルミニウムに掛からないようにするため、導体層の長さ及び幅を高融点金属化層及び金属介在層より０.０５ｍｍ以上短くする方法が示されている。
【００１４】
これらの方法も熱応力を緩和する効果は認められ、上記各公報によれば１０００サイクルのヒートサイクルでクラック等の発生は認められなかったとされる。しかし、いずれの方法も常温での接合はできず、接合温度は前記の場合と同様に５００℃以上の高温であるため、熱応力を低減することは出来ても完全に抑え込むことは困難である。そのため、これらの方法を採用したとしても、ヒートサイクルを更に長時間行うと問題が発生する可能性を否定できない。また、高温で接合するため、ヒーター及び断熱材を備えた炉その他の設備が必要となり、接合に要する費用も高くなってしまう。
【００１５】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、金属導体層と接合されるセラミックス層に熱応力が発生せず、従って接合に要する費用を大幅に低減できると共に、厚い金属導体層を用いることが可能な、熱放散性の良好なセラミックス層と金属導体層の接合体を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックス層と金属導体層の接合体は、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス層と、該セラミックス層上に積層した銅又はアルミニウム若しくはそれらの合金からなる金属導体層とを、両者の側面から絶縁材料で保持して機械的に固定接合したことを特徴とする。
【００１７】
上記本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体においては、前記セラミックス層と金属導体層との間に、高熱伝導樹脂ペーストを介在させることができ、その場合の高熱伝導樹脂ペーストは熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００１８】
また、上記本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体は、その絶縁材料がセラミックス層の金属導体層と反対側の表面に接した金属板にネジ止めされていることを特徴とする。このセラミックス層と金属板の間には、高熱伝導樹脂ペーストを介在させることができる。尚、絶縁材料にネジ止めされた金属板は、ラジエーター又はラジエーターに接合された金属に接合される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス層と金属導体層の接合体は、基本的には図１に示すように、セラミックス層１の上にＣｕ又はＡｌ若しくはそれらの合金からなる金属導体層２を積層し、両者の側面から絶縁材料３で保持して機械的に固定接合した構造を有している。尚、図１〜６には、機械的な固定の具体的な状況は示していない。セラミックス層１は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いる。また、絶縁材料としては、電気絶縁性の樹脂又は電気絶縁性のセラミックスが好ましい。
【００２０】
このような構造を有する本発明の接合体では、高温での接合方法によることなく、セラミックス層と金属導体層とを機械的に固定接合することができる。そのため、高真空中や不活性雰囲気中で高温で加熱する必要がないため、接合に高価な炉や耐熱セッターを用いる必要がなく、接合に要する費用を従来よりも大幅に低減することが可能となる。また、ＡｌやＣｕのような金属導体層とセラミックスを、活性金属ロウ材を用いて接合したり直接接合したりすると、接合後冷却による熱応力あるいはヒートサイクル時の熱疲労は避けられない。しかし本発明方法によると、接合界面に熱応力や熱疲労が発生しないため、耐ヒートサイクル性において飛躍的な改善効果が得られる。
【００２１】
更に、熱応力や熱疲労の効果は金属導体層を厚くするほど大きくなり、従来金属導体層の厚み上限はせいぜい０.４ｍｍ程度であった。しかし本発明方法によれば、ＡｌやＣｕのような金属導体層を厚くしても、熱応力が発生することがないため、接合冷却応力やヒートサイクル時の熱応力でセラミックス層が割れたりクラックが入ったりすることがない。従って、金属導体層として厚いＡｌ板やＣｕ板を半導体チップの下に配置することによって、半導体チップで発生した熱を非常に効率よく放熱することができる。特に金属導体層の厚みを、従来よりも厚い０.５ｍｍ以上とすることができ、その結果モジュール全体の放熱性を格段に高めることができる。尚、金属導体層の厚みは必要以上に厚すぎるとコストアップになるため、上限は５ｍｍが好ましい。
【００２２】
金属導体層に搭載された半導体チップで発生した熱は、金属導体層を介してセラミックス層に伝わり、更にラジエーター等に伝えて水冷又は空冷等により放散しなければならない。そのため、図２に示すように、セラミックス層１と金属導体層２を絶縁材料３で固定した本発明の接合体は、更にラジエーター等の放熱板である金属板４に固定する。その場合、絶縁材料３に開けた貫通穴にボルト５を通してネジ止めするか、あるいは絶縁材料３の外側から全体をネジ止めして固定すれば、接合体の反りを抑えることができるうえ、全ての工程を室温で行うことが出来るため、コスト的にも非常に有利である。
【００２３】
上記した本発明の接合体において、絶縁材料によるセラミックス層と金属導体層の機械的な固定方法としては、例えば、積層したセラミックス層と金属導体層の側面の周りに溶融した樹脂を流し込み、固化させた後に不要部分を除去する方法がある。また、セラミックス層と金属導体層を、予め所定の形状に加工した絶縁材料に嵌め込んだり、所定形状の絶縁材料で側面から締め付けて保持することもできる。電気絶縁性の樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、あるいはＰＰＳに絶縁性のガラスを少量添加したもの等がある。電気絶縁性のセラミックスとしては、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等があり、保持強度を考えると酸化ジルコニウム、窒化ケイ素が好ましい。
【００２４】
尚、後者の予め所定形状に形成した絶縁材料を用いる方法の場合、絶縁材料は一体的な枠状であることが好ましいが、複数に分割されていても最終的に前記したネジ止めにより金属板に固定した状態では、セラミックス層と金属導体層の固定接合が可能である。また、セラミックス層と金属導体層の大きさは、図１等に示すようにセラミックス層より金属導体層が小さい方が絶縁材料で保持しやすいが、両者が同じ大きさであっても固定接合することができる。
【００２５】
上記した本発明の接合体は、セラミックス層と金属導体層の間に熱伝導を阻害する空気を巻き込まないよう、図３に示すごとく、セラミックス層１と金属導体層２の間に高熱伝導樹脂ペースト６ａを介在させることができる。この高熱伝導樹脂ペースト６ａも、熱伝導を阻害しないように、熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２６】
また、図４に示すように、セラミックス層１の金属板に固定される側、即ち金属導体層２と反対側の表面１ａを絶縁材料３より突き出して設ければ、前記のごとくラジエーター等の金属板に固定する場合に絶縁材料３が邪魔にならず、両者を確実に密着させることができる。尚、固定作業上、通常は、この突き出し量は０.１ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００２７】
更に、図５に示すように、絶縁材料３を金属導体層２の半導体素子搭載面上、即ちセラミックス層１と反対側の表面上にオーバーハングさせて上端縁部３ａを形成すれば、この上端縁部３ａにより金属導体層２とセラミックス層１を上下方向に押えて、より確実に固定することができる。この上端縁部３ａは、半導体チップやワイヤーボンドの妨げにならない程度に、例えば金属導体層２の外周部から突き出していることが好ましい。尚、固定作業上、通常は、この突き出し量は０.１ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００２８】
金属導体層であるＡｌやＣｕ板は熱膨張率が大きいため、モジュールの実際の使用環境下において、金属導体層が伸びて絶縁材料に当たることがある。これを防ぐため、上記した絶縁材料３の上端縁部３ａで金属導体層２を上から押える構造の場合、図６に示すように、金属導体層２の側面と絶縁材料３との間に隙間２ａを設けておくことができる。この隙間は、金属導体層と絶縁材料との組合せにもよるが、本発明の両者の組合せ範囲においては、望ましくは０.１ｍｍ以上とする。尚、この隙間は、広すぎても側面からの保持が難しくなる。即ち、隙間が広すぎると絶縁材料３の上端縁部３ａでのみ保持することになり、保持力が得難くなることもある。従って、絶縁材料の強度及び上端縁部の厚みにもよるが、５ｍｍ以下とすれば保持力が得られやすい。それ故、この隙間は５ｍｍを上限とするのが望ましい。
【００２９】
上記の図３〜図６のごとく構成した接合体も、図２の場合と同様に、図７に示すように、金属板４に絶縁材料３に開けた貫通穴にボルト５を通してネジ止めするか、絶縁材料３の外側から全体をネジ止めして固定する。その際、セラミックス層１と金属板４の間に熱伝導を阻害する空気を巻き込まないよう、図８に示すように、セラミックス層１と金属板４間に高熱伝導樹脂ペースト６ｂを介在させることができる。この高熱伝導樹脂ペースト６ｂも、熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、望ましくは５Ｗ／ｍＫ以上である。
【００３０】
【実施例】
実施例１
２９×２９ｍｍ角で０.１ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、絶縁性の樹脂（フェノール樹脂）で両者を側面から固定した。この接合体の熱拡散率は０.６８ｃｍ２／ｓと良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.６９ｃｍ２／ｓと変化は無かった。
【００３１】
比較例１
２９×２９ｍｍ角で０.１ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後、室温まで冷却して取り出した。接合体は１０個作製したが、接合体に割れやクラックは見られなかった。接合体の熱拡散率を測定したところ、０.６７ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この１０個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、１０００サイクルで２個に窒化アルミニウム基板に微小なクラックが認められた。クラックの入っていない試料のヒートサイクル後の熱拡散率も０.６７ｃｍ２／ｓと変化はなかった。
【００３２】
実施例２
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、その周囲に絶縁性の樹脂を流し込んで固化させた後、不要部分を除去して、Ｃｕ板と窒化アルミニウム基板を側面から固定接合した。得られた接合体は図１の構造を有し、その熱拡散率は０.８５ｃｍ２／ｓと良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８６ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３３】
比較例２
実施例２と同じＣｕ板と窒化アルミニウム基板の間にＴｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中９個の窒化アルミニウム基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった１個の接合体について熱拡散率を測定したところ、０.８３ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この１個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５サイクルで窒化アルミニウム基板に大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３４】
実施例３
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.７７ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０×１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.７２ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３５】
比較例３
実施例３と同じＡｌ板と窒化アルミニウム基板の間に５０μｍ厚みのＡｌ−Ｓｉロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて５５０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中７個の窒化アルミニウム基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体３個について熱拡散率を測定したところ、０.７１ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この３個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５サイクルで窒化アルミニウム基板に３個とも大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３６】
実施例４
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率９５Ｗ／ｍＫを有する窒化ケイ素基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.４３ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０×１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化ケイ素基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４２ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３７】
比較例４
実施例４と同じＣｕ板と窒化ケイ素基板の間にＴｉ−Ｃｕ−Ａｇロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて７９０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中５個の窒化ケイ素基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体について熱拡散率を測定したところ、０.４０ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この５個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、５０サイクルで窒化ケイ素基板基板に５個とも大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００３８】
実施例５
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率９５Ｗ／ｍＫを有する窒化ケイ素基板を重ね、実施例２と同様にして絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.４５ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化ケイ素基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４６ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００３９】
比較例５
実施例５と同じＡｌ板と窒化ケイ素基板の間に５０μｍ厚みのＡｌ−Ｓｉロウ材を挟み込み、１.５×１０−５ｔｏｒｒの真空中にて５５０℃で３０分加熱して接合した。その後室温まで冷却して取り出したところ、接合体１０個中３個の窒化ケイ素基板にクラックが目視で認められた。目視でクラックが認められなかった接合体７個について熱拡散率を測定したところ、０.４０ｃｍ２／ｓと比較的良好であった。この７個を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに投入したところ、１００サイクルで５個の窒化ケイ素基板に、１０００サイクルで残り２個の窒化ケイ素基板に大きなクラックが入っていることが目視で確認できた。
【００４０】
実施例６
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、予め所定の枠状に形成したＺｒＯ２に嵌め込んで側面から固定接合した。得られた接合体は図１の構造を有し、その熱拡散率は０.８６ｃｍ２／ｓと良好であった。その接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８８ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４１】
実施例７
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＡｌ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板を重ね、実施例６と同様にしてＺｒＯ２にて側面から固定接合した。得られた接合体の熱拡散率は０.７０ｃｍ２／ｓと良好であり、−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板及び接合部に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.７１ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４２】
実施例８
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、それぞれ熱伝導率が０.２、０.６、１.０Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。
【００４３】
得られた接合体は図３の構造を有し、その熱拡散率はそれぞれ０.４２、０.６４、０.８８ｃｍ２／ｓであった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルにそれぞれ１０個ずつ投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.４１、０.６２、０.８９ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。
【００４４】
実施例９
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。その際、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせて残し、Ｃｕ板を押さえるように固定すると共に、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。
【００４５】
得られた接合体は図５の構造を有し、その熱拡散率は０.８６ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８４ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で５０μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４６】
実施例１０
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板と、３０×３０角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板の間に、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布して重ね、押しつけて間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合し、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせると共に、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。その際更に、Ｃｕ板エッジと絶縁樹脂の間に０.５ｍｍの隙間が存在するように配置した。
【００４７】
得られた接合体は図６の構造を有し、その熱拡散率は０.８５ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８７ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で１０μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４８】
実施例１１
上記実施例１０で製造した接合体を、その絶縁樹脂に開けた貫通穴に通したボルトで金属板にネジ止めして上下方向に固定した。この接合体は図７の構造を有し、その熱拡散率は０.８３ｃｍ２／ｓと非常に良好であった。この接合体を−４０〜１２５℃のヒートサイクルに１０個投入したところ、１０００サイクルで窒化アルミニウム基板に割れやクラックは全く発生せず、ヒートサイクル後の熱拡散率も０.８５ｃｍ２／ｓと殆ど変化は無かった。また、接合したＣｕ板の反りの平均は、上記ヒートサイクル後で５μｍ／３０ｍｍ未満であった。
【００４９】
実施例１２
２９×２９ｍｍ角で２ｍｍ厚みのＣｕ板上に、Ｓｎ：Ｐｂ＝６：４の半田にてＩＧＢＴ半導体チップを接合した。３０×３０ｍｍ角で１ｍｍ厚みの熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫを有する窒化アルミニウム基板表面に、熱伝導率５Ｗ／ｍＫのＡｌＮをフィラーとして含ませた高熱伝導樹脂を塗布し、上記Ｃｕ板の裏面と重ねて押しつけ、間に入り込んだ空気を押し出した。その後実施例２と同様にして、絶縁性の樹脂で側面から固定接合した。その際、絶縁樹脂上部をＣｕ板の外周部から１ｍｍオーバーハングさせて残し、Ｃｕ板エッジと絶縁樹脂の間に０.５ｍｍの隙間を設けるとともに、絶縁樹脂の下端から窒化アルミニウム基板が０.１ｍｍだけ突き出るようにした。
【００５０】
得られた接合体の窒化アルミニウム基板の裏面に熱伝導率５Ｗ／ｍＫの高熱伝導樹脂ペーストを塗布し、この高熱伝導樹脂ペーストを挟んで接合体をＡｌ−ＳｉＣ製のヒートシンク上に載せ、絶縁樹脂に開けた貫通穴を通してボルトによりヒートシンクにネジ止めすることにより上下方向に固定した。このモジュール２０個を−４０〜＋１２５℃のヒートサイクルに投入して３０００サイクルの試験を行った結果、窒化アルミニウム基板及びその他の箇所に割れやクラックは全く認められなかった。その後、ＩＧＢＴチップを３００時間連続動作させても、ＩＧＢＴチップは正常に動作し続けていた。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウムや窒化ケイ素のようなセラミックス層に、Ｃｕ板やＡｌ板のような金属導体層をロウ材等を用いることなく非加熱で接合するため、引っ張り応力に弱いセラミックス層に熱応力を発生させず、損傷なく接合固定できるので、厚い金属導体層を用いて高い放熱性を得ることが出来る。また、常温で固定接合するため、高価な炉その他の設備を必要とせず、接合コストを大幅に低く抑えることが出来る。従って、本発明の接合体は、ＩＧＢＴチップを用いたパワーモジュールを初めとした発熱量の高いチップ等の放熱基板として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の一具体例を示す概略の断面図である。
【図２】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の一具体例を示す概略の断面図である。
【図３】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の他の具体例を示す概略の断面図である。
【図４】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図５】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図６】本発明によるセラミックス層と金属導体層の接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【図７】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の他の具体例を示す概略の断面図である。
【図８】放熱用の金属板に固定した本発明による接合体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。
【符号の説明】
１ セラミックス層
２ 金属導体層
２ａ 隙間
３ 絶縁材料
３ａ 上端縁部
４ 金属板
５ ボルト
６ａ、６ｂ 高熱伝導樹脂ペースト
Claims (11)
- 熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミック層を、枠状の絶縁材料で上下方向に押さえて又は側面から締め付けて保持すると共に、該セラミック層上に積層した銅又はアルミニウム若しくはそれらの合金からなる金属導体層を、前記枠状の絶縁材料で上下方向に押さえて又は側面から締め付けて保持してなることを特徴とするセラミック層と金属導体層の接合体。
- 前記金属導体層の厚みが０.１〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記セラミックス層と金属導体層との間に、高熱伝導樹脂ペーストが挟み込まれていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記高熱伝導樹脂ペーストの熱伝導率が０.５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記絶縁材料が樹脂又はセラミックスであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記セラミックス層の金属導体層と反対側の表面が、前記絶縁材料より０.１ｍｍ以上突き出していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記金属導体層のセラミックス層と反対側の表面上に、前記絶縁材料の一部が金属導体層の外周部から０.１ｍｍ以上突き出していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記絶縁材料が前記金属導体層を上下方向に押さえて保持しており、前記金属導体層の側面と前記絶縁材料との間に０.１ｍｍ以上の隙間が存在することを特徴とする、請求項７に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記セラミックス層と金属導体層が、前記絶縁材料に設けた貫通穴に通されたボルトにより金属板にネジ止めされて固定されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記セラミックス層と金属板の間に、高熱伝導樹脂ペーストが介在しているいることを特徴とする、請求項９に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
- 前記金属板が、ラジエーター又はラジエーターに接合された金属板であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のセラミックス層と金属導体層の接合体。
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