JP4206651B2 - ヒートシンク付回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板等の半導体装置の回路基板に関する。更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒートシンクを有するヒートシンク付回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の回路基板として、ベース金属板上の少なくとも一主面上に絶縁層を形成することにより金属ベース絶縁基板が形成され、この金属ベース絶縁基板上に回路又は少なくとも一層以上の回路基板が積層された金属ベース回路基板が開示されている（特開平８−６４９２０号）。この金属ベース回路基板では、ベース金属板はアルミニウムやアルミニウム合金等により形成され、絶縁層は各種セラミック、無機粉体又は無機繊維を含有する高分子樹脂又は耐熱性高分子樹脂により形成され、回路は銅等により形成される。また金属ベース絶縁板上に、回路を直接積層し、或いは回路基板を接着剤層を介して積層した状態で、１２０℃で７時間加熱した後の重量減少率は絶縁材料単位体積に対して、９．０×１０-3ｇ／ｃｍ3以下である。
このように構成された金属ベース回路基板では、はんだリフロー前に１２０℃で７時間加熱し、かつその加熱後の重量減少率が絶縁材料単位体積に対して、９．０×１０-3ｇ／ｃｍ3以下であったので、はんだリフロー時に金属ベース回路基板に高温の熱衝撃が作用しても、絶縁層と回路との界面や、接着剤層と回路基板との界面に、膨れや剥がれが発生しない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平８−６４９２０号公報に示された金属ベース回路基板では、回路を銅により形成すると、この回路上に半導体チップをはんだ層を介して積層接着した場合、回路及び半導体チップへの通電及びその停止を繰返すことにより金属ベース回路基板に温度サイクルが作用し、この温度サイクル後に回路が加工硬化して上記はんだ層に歪みがたまり、はんだ層にクラックが発生するおそれがあった。
また、上記従来の金属ベース回路基板では、絶縁層が樹脂により形成されているため、回路からベース金属板への熱伝導率が低下する問題点もあった。
更に、上記従来の金属ベース回路基板では、厚いベース金属板を熱膨張係数の大きなアルミニウムにより形成し、かつ薄い回路上に熱膨張係数の小さい大型の半導体チップをはんだ層を介して積層接着すると、温度サイクル後に上記ベース金属板及び半導体チップの熱膨張係数の差に起因して、はんだ層にクラックが発生するおそれもあった。
本発明の目的は、熱サイクル寿命を延すことができ、回路からヒートシンクへの熱伝導率を良好に保つことができる、ヒートシンク付回路基板を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体１２がＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより形成されて（２．０〜１０．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層１３がシンク本体の表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａであり、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともにシリカコーティング層１３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項１に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク１１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板１０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板１０の熱サイクル寿命を延すことができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、図２に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体２２が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層２３がアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜２３ａであり、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともに陽極酸化皮膜２３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項２に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク２１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板２０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板２０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することにより陽極酸化皮膜２３ａと回路１４との密着性が良好となり、回路１４の厚さを厚くしても剥離が生じない。
【０００６】
請求項３に係る発明は、図３に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体２２が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層３３が、アルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜２３ａと、陽極酸化皮膜２３ａの表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａとを有し、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともにシリカコーティング層１３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項３に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク３１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板３０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板３０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することによりシリカコーティング層１３ａと回路１４との密着性が向上するとともに、回路１４の絶縁耐圧を大きく確保できる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項１又は３に係る発明であって、更にシリカコーティング層に窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されたことを特徴とする。
この請求項４に記載されたヒートシンク付回路基板では、シリカコーティング層に所定のフィラーを分散することにより、シリカコーティング層の熱伝導率が高くなるので、回路からの熱が速やかにシンク本体に伝わる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ヒートシンク１１は、シンク本体１２と、このシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、この絶縁層１３には回路１４が積層接着される。シンク本体１２は（２．０〜１０．０）×１０-6／℃、好ましくは（４．０〜８．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有する材料により形成される。具体的には、シンク本体１２はＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより１．０〜３．０ｍｍの厚さに形成される。シンク本体１２の熱膨張係数を（２．０〜１０．０）×１０-6／℃に限定したのは、２．０×１０-6／℃未満では、回路１４とヒートシンク１１との熱膨張係数差により回路１４が剥がれ、１０．０×１０-6／℃を越えると、ヒートシンク１１の熱膨張係数と、回路１４上に積層接着された半導体チップ（はんだ付け）の熱膨張係数との差が大きくなり、熱サイクル付与後に半導体チップ直下のはんだにクラックが発生するからである。
【０００９】
なお、上記Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材製のシンク本体１２は、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＣｕ板と、０．４〜２ｍｍの厚さのＭｏ板と、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＣｕ板とをこの順に重ねた状態で、圧延又は圧接にて積層接着することにより形成され、Ｃｕ／ＣｕＯ製のシンク本体１２は、Ｃｕ粒子とＣｕＯ粒子とを混合・焼結した複合材により形成される。またＡｌＳｉＣ製のシンク本体１２は、多孔質のＳｉＣ板にＡｌを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＡｌ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、ＡｌＣ製のシンク本体１２は、多孔質のカーボン板にＡｌを含浸させることにより形成される。更にＣｕＳｉＣ製のシンク本体１２も、ＡｌＳｉＣ製のシンク本体と同様に、多孔質のＳｉＣ板にＣｕを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＣｕ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、Ｍｏ製のシンク本体１２は、Ｍｏの金属単体により形成される。
【００１０】
一方、絶縁層１３は無機物により形成される。具体的には、絶縁層１３はシンク本体１２の表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａである。このシリカコーティング層１３ａの厚さは５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１００μｍに形成される。シリカコーティング層１３ａの厚さを５０ｎｍ〜２００μｍの範囲に限定したのは、５０ｎｍ未満ではＣｕとＡｌとの反応の抑制効果が乏しく、２００μｍを越えるとシリカコーティング層１３ａに割れが発生してＣｕとＡｌの反応を抑制できなくなるからである。またシリカコーティング層１３ａには、熱伝導率を高くするために、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されることが好ましい。これらのフィラーの平均粒径は０．０５〜１０μｍであり、その含有量はシリカコーティング層中のシリカ１００重量％に対して３０〜６０重量％であることが好ましい。また回路１４はＡｌ純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上であるＡｌ合金により０．０５〜０．８ｍｍの厚さに形成される。更に回路１４はシリカコーティング層１３ａに、Ａｌ系ろう材、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。このろう材層１６は８０〜９８重量％のＡｌと、１５〜２重量％のＳｉと、５〜０重量％のその他の成分との合金により形成される。
【００１１】
このように構成されたヒートシンク付回路基板１０の製造方法を説明する。
先ずシンク本体１２の上面にシリカコーティング液をスピンコートするか、或いはシンク本体１２をシリカコーティング液にディッピングした後に、１５０〜４００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体１２の一方の面或いは全面にシリカコーティング層１３ａを形成する。上記シリカコーティング液は、シリコンアルコキシドを主成分とし、その他にジルコニウムアルコキシドが混合される。シリカコーティング層１３ａの組成比は、シリカが５５〜１００重量％、好ましくは７０〜９５重量％であり、ジルコニアが４５〜０重量％、好ましくは３０〜５重量％である。次にシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク１１の上に、ろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。ここで上記非酸化性雰囲気には、不活性ガス雰囲気、Ｎ2雰囲気などがある。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成する。更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００１２】
なお、シンク本体１２がＣｕを含む材料、即ちＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ又はＣｕＳｉＣにより形成されている場合、回路基板１０全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるけれども、シンク本体１２とろう材層１６との間にシリカコーティング層１３ａが介装されている、即ちＣｕを含むシンク本体１２とＡｌを含むろう材層１６とが直接接触していないので、シンク本体１２とろう材層１６との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、シンク本体１２とろう材層１６とが剥離することはない。
【００１３】
このように製造されたヒートシンク付回路基板１０では、ヒートシンク１１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板１０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板１０の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１４】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、シンク本体２２が、（２．０〜１０．０）×１０-6／℃、好ましくは（４．０〜８．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有する材料、即ちＡｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有する。上記クラッド材製の芯部２２ａは、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＡｌ板と、０．４〜２ｍｍの厚さのＭｏ板と、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＡｌ板とをこの順に重ねた状態で、圧延又は圧接にて積層接着することにより形成される。またＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａは、多孔質のＳｉＣ板にＡｌを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＡｌ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、ＡｌＣ製の芯部２２ａは、多孔質のカーボン板にＡｌを含浸させることにより形成される。更にアルミニウム被覆体２２ｂはＡｌ純度が９５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．０５〜１．３ｍｍの厚さに形成される。
【００１５】
一方、絶縁層２３はアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された５０〜２００μｍの厚さの陽極酸化皮膜２３ａである。上記陽極酸化処理とは、上記アルミニウム被覆体２２ｂを陽極とし、シュウ酸又は硫酸などの水溶液からなる電解液中に定電流を流して電解し、陽極で発生する原子状の酸素によりアルミニウムの表面に化学的に安定で硬質の酸化アルミニウムの皮膜（陽極酸化皮膜）を生成する処理をいう。更に回路１４は陽極酸化皮膜２３ａに第１の実施の形態と同一のＡｌ系のろう材層１６、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。
【００１６】
このように構成されたヒートシンク付回路基板２０の製造方法を説明する。
先ず所定の型に芯部２２ａを収容してこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａをアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆する。これによりシンク本体２２が形成される。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に陽極酸化皮膜２３ａを形成する。これによりヒートシンク２１が形成される。次にヒートシンク２１の上にろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成する。更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００１７】
このように製造されたヒートシンク付回路基板２０では、ヒートシンク２１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板２０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板２０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することにより回路１４と陽極酸化皮膜２３ａとの密着性が良好となるため、厚さの厚い回路１４や、より純度の低い回路１４を用いても、回路１４が剥離するのを防止できる。
【００１８】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。図３において図１及び図２と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、シンク本体２２が、第２の実施の形態と同一の芯部２２ａ及びアルミニウム被覆体２２ｂを有する。また絶縁層３３は、第２の実施の形態と同一の陽極酸化皮膜２３ａと、この陽極酸化皮膜２３ａの表面に積層接着された第１の実施の形態と同一のシリカコーティング層１３ａとを有する。更に回路１４はシリカコーティング層１３ａに、Ａｌ系のろう材層１６、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。なお、シリカコーティング層１３ａには、第１の実施の形態と同様に、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されることが好ましい。
【００１９】
このように構成されたヒートシンク付回路基板３０の製造方法を説明する。
先ず所定の型に芯部２２ａを収容してこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａをアルミニウム被覆体２２ｂにて被覆する。これによりシンク本体２２が形成される。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に陽極酸化皮膜２３ａを形成する。次に陽極酸化皮膜２３ａの上面に、第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液をスピンコートするか、或いはシンク本体をシリカコーティング液にディッピングした後に、１５０〜４００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体２２の一方の面或いは全面にシリカコーティング層１３ａを形成する。これによりヒートシンク３１が形成される。更にヒートシンク３１の上にろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成し、更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００２０】
このように製造されたヒートシンク付回路基板３０では、ヒートシンク３１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板３０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板３０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することによりシリカコーティング層１３ａと回路１４との密着性が向上するとともに、回路１４の絶縁耐圧を大きく確保できる。
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、ろう材層をＡｌ−Ｓｉ系ろう材により形成したが、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材、Ａｌ−Ｍｇ系ろう材などにより形成してもよい。この場合、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材は９５〜９９．５重量％のＡｌと、２〜０．５重量％のＭｎと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材は９０〜９９重量％のＡｌと、７〜１重量％のＣｕと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材は７２〜９５重量％のＡｌと、２５〜５重量％のＧｅと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、更にＡｌ−Ｍｇ系ろう材は９０〜９７重量％のＡｌと、７〜３重量％のＭｇと、３〜０重量％のその他の成分との合金であることが好ましい。
【００２１】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３ｍｍのＡｌＳｉＣ製のシンク本体１２の上面にシリカコーティング液をスピンコートした後に、３００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体１２の上面に厚さが２００μｍのシリカコーティング層１３ａを形成した。このシリカコーティング層１３ａの組成比は、シリカが８０重量％であり、ジルコニアが２０重量％であった。またシリカコーティング層１３ａは平均粒径が１．５μｍである窒化アルミニウム粉末をシリカに対して５０重量％含有した。次にシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク１１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板１０を実施例１とした。
【００２２】
＜実施例２＞
ＡｌＣ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例２とした。
＜実施例３＞
Ｍｏ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例３とした。
＜実施例４＞
ＣｕＳｉＣ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例４とした。
【００２３】
＜実施例５＞
図３に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３ｍｍのＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａを型に収容した状態でこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａがアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆されたシンク本体２２を作製した。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に厚さが１００μｍの陽極酸化皮膜２３ａを形成した。次にアルミニウム被覆体２２ｂの上面にシリカコーティング液をスピンコートした後に、３００℃に加熱して乾燥することにより、陽極酸化皮膜２３ａの上面に厚さが１００μｍのシリカコーティング層１３ａを形成した。このシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク３１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板３０を実施例５とした。
【００２４】
＜実施例６＞
図２に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３０ｍｍのＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａを型に収容した状態でこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａがアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆されたシンク本体２２を作製した。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に厚さが１００μｍの陽極酸化皮膜２３ａを形成した。次にヒートシンク２１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板２０を実施例６とした。
【００２５】
＜実施例７＞
ＡｌＣ製の芯部を用いたことを除いて、実施例５と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例７とした。
＜実施例８＞
厚さがそれぞれ１ｍｍである２枚のＡｌ板により厚さが１ｍｍであるＭｏ板を挟持したクラッド材（Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材）により芯部を形成したことを除いて、実施例５と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例８とした。
＜実施例９＞
ＡｌＳｉＣ製のシンク本体を用い、シリカコーティング層にフィラーを分散しなかったことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例２とした。
【００２６】
＜実施例１０＞
Ａｌ：Ｍｎが９８．５重量％：１．５重量％であるＡｌ−Ｍｎ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１０とした。
＜実施例１１＞
Ａｌ：Ｃｕが９５．５重量％：４．５重量％であるＡｌ−Ｃｕ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１１とした。
＜実施例１２＞
Ａｌ：Ｇｅが８５重量％：１５重量％であるＡｌ−Ｇｅ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１２とした。
＜実施例１３＞
Ａｌ：Ｍｇが９５重量％：５重量％であるＡｌ−Ｍｇ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１３とした。
【００２７】
＜比較例１＞
先ずセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板を積層接着した後に、第２アルミニウム板をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。次いで第２アルミニウム板上にニッケルめっきを施した後に、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップをダイボンドした。次に銅板からなるヒートシンクの上にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを重ね、このＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの上に、第１アルミニウム板を下側にしてセラミック基板を重ねて積層接着した。更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム板とをワイヤボンディングした。この半導体チップを搭載したセラミック回路基板を比較例１とした。
【００２８】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜１３の回路上にニッケルめっきを施し、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップをダイボンドし、更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム板とをワイヤボンディングして、回路基板上に半導体チップを搭載した。
上記実施例１〜１３の半導体チップを搭載した回路基板と、比較例１の半導体チップを搭載したセラミック回路基板について、−４０℃から１２５℃までの昇温及び１２５℃から−４０℃までの降温を１サイクルとする温度サイクル試験を３０００回行った。また温度サイクル試験前の半導体チップ表面及びヒートシンク裏面間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定し、３０００サイクルの温度サイクル試験後の半導体チップ表面及びヒートシンク裏面間の熱抵抗を測定した。なお、３０００サイクルの温度サイクル試験後の熱抵抗は温度サイクル試験前の熱抵抗からの上昇率（％）で示した。また回路とヒートシンクとの界面の信頼性は剥離の有無により評価した。これらの結果を、シンク本体の種類と、陽極酸化皮膜及びシリカコーティング層（ＳｉＯ2層）の厚さと、フィラーの種類とともに表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１から明らかなように、比較例１では、サイクル試験後の熱抵抗が１００％以上も上昇したのに対し、実施例１〜１３では、３．０〜４．１％と僅かしか上昇しなかった。また比較例１では、回路とヒートシンクとの界面の信頼性が１０００サイクルと短かったのに対し、実施例１〜１３では、３０００サイクル以上と延びた。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シンク本体が（２．０〜１０．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層を無機物により形成し、更に回路を９９．５％以上の純度のＡｌ合金により形成したので、ヒートシンクが回路上の半導体チップと略同一の低熱膨張係数を有する。この結果、回路基板に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはないので、回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
またシンク本体をＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより形成し、絶縁層がシンク本体の表面に積層接着されたシリカコーティング層であり、更に回路をシリカコーティング層にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記とどうようの効果が得られる。
【００３２】
またシンク本体が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部と、この芯部の全面を被覆するアルミニウム被覆体とを有し、絶縁層がアルミニウム被覆体の表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜であり、更に回路を陽極酸化皮膜にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記と同様の効果が得られるとともに、ろう材層を介装することにより陽極酸化皮膜と回路との密着性が良好となり、回路の厚さを厚くしても剥離が生じない。
またシンク本体が上記芯部とアルミニウム被覆体とを有し、絶縁層が上記陽極酸化皮膜と、陽極酸化皮膜の表面に積層接着されたシリカコーティング層とを有し、更に回路をシリカコーティング層にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記と同様の効果が得られるとともに、ろう材層を介装することによりシリカコーティング層と回路との密着性が向上し、回路の絶縁耐圧を大きく確保できる。
更にシリカコーティング層に、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーを分散すれば、シリカコーティング層の熱伝導率が高くなるので、回路からの熱が速やかにシンク本体に伝わる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【図２】本発明第２実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【図３】本発明第３実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【符号の説明】
１０，２０，３０ ヒートシンク付回路基板
１１，２１，３１ ヒートシンク
１２，２２ シンク本体
１３，２３，３３ 絶縁層
１３ａ シリカコーティング層
１４ 回路
１６ ろう材層
２２ａ 芯部
２２ｂ アルミニウム被覆体
２３ａ 陽極酸化皮膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板等の半導体装置の回路基板に関する。更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒートシンクを有するヒートシンク付回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の回路基板として、ベース金属板上の少なくとも一主面上に絶縁層を形成することにより金属ベース絶縁基板が形成され、この金属ベース絶縁基板上に回路又は少なくとも一層以上の回路基板が積層された金属ベース回路基板が開示されている（特開平８−６４９２０号）。この金属ベース回路基板では、ベース金属板はアルミニウムやアルミニウム合金等により形成され、絶縁層は各種セラミック、無機粉体又は無機繊維を含有する高分子樹脂又は耐熱性高分子樹脂により形成され、回路は銅等により形成される。また金属ベース絶縁板上に、回路を直接積層し、或いは回路基板を接着剤層を介して積層した状態で、１２０℃で７時間加熱した後の重量減少率は絶縁材料単位体積に対して、９．０×１０-3ｇ／ｃｍ3以下である。
このように構成された金属ベース回路基板では、はんだリフロー前に１２０℃で７時間加熱し、かつその加熱後の重量減少率が絶縁材料単位体積に対して、９．０×１０-3ｇ／ｃｍ3以下であったので、はんだリフロー時に金属ベース回路基板に高温の熱衝撃が作用しても、絶縁層と回路との界面や、接着剤層と回路基板との界面に、膨れや剥がれが発生しない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平８−６４９２０号公報に示された金属ベース回路基板では、回路を銅により形成すると、この回路上に半導体チップをはんだ層を介して積層接着した場合、回路及び半導体チップへの通電及びその停止を繰返すことにより金属ベース回路基板に温度サイクルが作用し、この温度サイクル後に回路が加工硬化して上記はんだ層に歪みがたまり、はんだ層にクラックが発生するおそれがあった。
また、上記従来の金属ベース回路基板では、絶縁層が樹脂により形成されているため、回路からベース金属板への熱伝導率が低下する問題点もあった。
更に、上記従来の金属ベース回路基板では、厚いベース金属板を熱膨張係数の大きなアルミニウムにより形成し、かつ薄い回路上に熱膨張係数の小さい大型の半導体チップをはんだ層を介して積層接着すると、温度サイクル後に上記ベース金属板及び半導体チップの熱膨張係数の差に起因して、はんだ層にクラックが発生するおそれもあった。
本発明の目的は、熱サイクル寿命を延すことができ、回路からヒートシンクへの熱伝導率を良好に保つことができる、ヒートシンク付回路基板を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体１２がＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより形成されて（２．０〜１０．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層１３がシンク本体の表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａであり、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともにシリカコーティング層１３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項１に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク１１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板１０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板１０の熱サイクル寿命を延すことができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、図２に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体２２が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層２３がアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜２３ａであり、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともに陽極酸化皮膜２３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項２に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク２１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板２０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板２０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することにより陽極酸化皮膜２３ａと回路１４との密着性が良好となり、回路１４の厚さを厚くしても剥離が生じない。
【０００６】
請求項３に係る発明は、図３に示すように、ヒートシンク１１がシンク本体１２とこのシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、絶縁層１３に回路１４が積層接着されたヒートシンク付回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、シンク本体２２が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層３３が、アルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜２３ａと、陽極酸化皮膜２３ａの表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａとを有し、回路１４が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともにシリカコーティング層１３ａにＡｌ系のろう材層１６により積層接着されたところにある。
この請求項３に記載されたヒートシンク付回路基板では、ヒートシンク３１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板３０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板３０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することによりシリカコーティング層１３ａと回路１４との密着性が向上するとともに、回路１４の絶縁耐圧を大きく確保できる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項１又は３に係る発明であって、更にシリカコーティング層に窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されたことを特徴とする。
この請求項４に記載されたヒートシンク付回路基板では、シリカコーティング層に所定のフィラーを分散することにより、シリカコーティング層の熱伝導率が高くなるので、回路からの熱が速やかにシンク本体に伝わる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ヒートシンク１１は、シンク本体１２と、このシンク本体１２の表面に形成された絶縁層１３とを備え、この絶縁層１３には回路１４が積層接着される。シンク本体１２は（２．０〜１０．０）×１０-6／℃、好ましくは（４．０〜８．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有する材料により形成される。具体的には、シンク本体１２はＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより１．０〜３．０ｍｍの厚さに形成される。シンク本体１２の熱膨張係数を（２．０〜１０．０）×１０-6／℃に限定したのは、２．０×１０-6／℃未満では、回路１４とヒートシンク１１との熱膨張係数差により回路１４が剥がれ、１０．０×１０-6／℃を越えると、ヒートシンク１１の熱膨張係数と、回路１４上に積層接着された半導体チップ（はんだ付け）の熱膨張係数との差が大きくなり、熱サイクル付与後に半導体チップ直下のはんだにクラックが発生するからである。
【０００９】
なお、上記Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材製のシンク本体１２は、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＣｕ板と、０．４〜２ｍｍの厚さのＭｏ板と、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＣｕ板とをこの順に重ねた状態で、圧延又は圧接にて積層接着することにより形成され、Ｃｕ／ＣｕＯ製のシンク本体１２は、Ｃｕ粒子とＣｕＯ粒子とを混合・焼結した複合材により形成される。またＡｌＳｉＣ製のシンク本体１２は、多孔質のＳｉＣ板にＡｌを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＡｌ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、ＡｌＣ製のシンク本体１２は、多孔質のカーボン板にＡｌを含浸させることにより形成される。更にＣｕＳｉＣ製のシンク本体１２も、ＡｌＳｉＣ製のシンク本体と同様に、多孔質のＳｉＣ板にＣｕを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＣｕ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、Ｍｏ製のシンク本体１２は、Ｍｏの金属単体により形成される。
【００１０】
一方、絶縁層１３は無機物により形成される。具体的には、絶縁層１３はシンク本体１２の表面に積層接着されたシリカコーティング層１３ａである。このシリカコーティング層１３ａの厚さは５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１００μｍに形成される。シリカコーティング層１３ａの厚さを５０ｎｍ〜２００μｍの範囲に限定したのは、５０ｎｍ未満ではＣｕとＡｌとの反応の抑制効果が乏しく、２００μｍを越えるとシリカコーティング層１３ａに割れが発生してＣｕとＡｌの反応を抑制できなくなるからである。またシリカコーティング層１３ａには、熱伝導率を高くするために、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されることが好ましい。これらのフィラーの平均粒径は０．０５〜１０μｍであり、その含有量はシリカコーティング層中のシリカ１００重量％に対して３０〜６０重量％であることが好ましい。また回路１４はＡｌ純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上であるＡｌ合金により０．０５〜０．８ｍｍの厚さに形成される。更に回路１４はシリカコーティング層１３ａに、Ａｌ系ろう材、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。このろう材層１６は８０〜９８重量％のＡｌと、１５〜２重量％のＳｉと、５〜０重量％のその他の成分との合金により形成される。
【００１１】
このように構成されたヒートシンク付回路基板１０の製造方法を説明する。
先ずシンク本体１２の上面にシリカコーティング液をスピンコートするか、或いはシンク本体１２をシリカコーティング液にディッピングした後に、１５０〜４００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体１２の一方の面或いは全面にシリカコーティング層１３ａを形成する。上記シリカコーティング液は、シリコンアルコキシドを主成分とし、その他にジルコニウムアルコキシドが混合される。シリカコーティング層１３ａの組成比は、シリカが５５〜１００重量％、好ましくは７０〜９５重量％であり、ジルコニアが４５〜０重量％、好ましくは３０〜５重量％である。次にシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク１１の上に、ろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。ここで上記非酸化性雰囲気には、不活性ガス雰囲気、Ｎ2雰囲気などがある。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成する。更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００１２】
なお、シンク本体１２がＣｕを含む材料、即ちＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ又はＣｕＳｉＣにより形成されている場合、回路基板１０全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるけれども、シンク本体１２とろう材層１６との間にシリカコーティング層１３ａが介装されている、即ちＣｕを含むシンク本体１２とＡｌを含むろう材層１６とが直接接触していないので、シンク本体１２とろう材層１６との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、シンク本体１２とろう材層１６とが剥離することはない。
【００１３】
このように製造されたヒートシンク付回路基板１０では、ヒートシンク１１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板１０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板１０の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１４】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、シンク本体２２が、（２．０〜１０．０）×１０-6／℃、好ましくは（４．０〜８．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有する材料、即ちＡｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部２２ａと、この芯部２２ａの全面を被覆するアルミニウム被覆体２２ｂとを有する。上記クラッド材製の芯部２２ａは、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＡｌ板と、０．４〜２ｍｍの厚さのＭｏ板と、１．３〜０．５ｍｍの厚さのＡｌ板とをこの順に重ねた状態で、圧延又は圧接にて積層接着することにより形成される。またＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａは、多孔質のＳｉＣ板にＡｌを含浸させることにより形成されるか、或いはＳｉＣ粉末及びＡｌ粉末の混合粉末を板状に押し固めて焼結することにより形成され、ＡｌＣ製の芯部２２ａは、多孔質のカーボン板にＡｌを含浸させることにより形成される。更にアルミニウム被覆体２２ｂはＡｌ純度が９５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．０５〜１．３ｍｍの厚さに形成される。
【００１５】
一方、絶縁層２３はアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより形成された５０〜２００μｍの厚さの陽極酸化皮膜２３ａである。上記陽極酸化処理とは、上記アルミニウム被覆体２２ｂを陽極とし、シュウ酸又は硫酸などの水溶液からなる電解液中に定電流を流して電解し、陽極で発生する原子状の酸素によりアルミニウムの表面に化学的に安定で硬質の酸化アルミニウムの皮膜（陽極酸化皮膜）を生成する処理をいう。更に回路１４は陽極酸化皮膜２３ａに第１の実施の形態と同一のＡｌ系のろう材層１６、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。
【００１６】
このように構成されたヒートシンク付回路基板２０の製造方法を説明する。
先ず所定の型に芯部２２ａを収容してこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａをアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆する。これによりシンク本体２２が形成される。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に陽極酸化皮膜２３ａを形成する。これによりヒートシンク２１が形成される。次にヒートシンク２１の上にろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成する。更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００１７】
このように製造されたヒートシンク付回路基板２０では、ヒートシンク２１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板２０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板２０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することにより回路１４と陽極酸化皮膜２３ａとの密着性が良好となるため、厚さの厚い回路１４や、より純度の低い回路１４を用いても、回路１４が剥離するのを防止できる。
【００１８】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。図３において図１及び図２と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、シンク本体２２が、第２の実施の形態と同一の芯部２２ａ及びアルミニウム被覆体２２ｂを有する。また絶縁層３３は、第２の実施の形態と同一の陽極酸化皮膜２３ａと、この陽極酸化皮膜２３ａの表面に積層接着された第１の実施の形態と同一のシリカコーティング層１３ａとを有する。更に回路１４はシリカコーティング層１３ａに、Ａｌ系のろう材層１６、特に好ましくはＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６により積層接着される。なお、シリカコーティング層１３ａには、第１の実施の形態と同様に、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散されることが好ましい。
【００１９】
このように構成されたヒートシンク付回路基板３０の製造方法を説明する。
先ず所定の型に芯部２２ａを収容してこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａをアルミニウム被覆体２２ｂにて被覆する。これによりシンク本体２２が形成される。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に陽極酸化皮膜２３ａを形成する。次に陽極酸化皮膜２３ａの上面に、第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液をスピンコートするか、或いはシンク本体をシリカコーティング液にディッピングした後に、１５０〜４００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体２２の一方の面或いは全面にシリカコーティング層１３ａを形成する。これによりヒートシンク３１が形成される。更にヒートシンク３１の上にろう材層１６及び回路１４となるＡｌ合金板を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成し、更にこの回路１４上にはんだ層（図示せず）を介して半導体チップ（図示せず）を積層接着する。
【００２０】
このように製造されたヒートシンク付回路基板３０では、ヒートシンク３１と回路１４上の半導体チップとが略同一の低熱膨張係数を有するので、回路基板３０に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはなく、回路基板３０の熱サイクル寿命を延すことができる。またろう材層１６を介装することによりシリカコーティング層１３ａと回路１４との密着性が向上するとともに、回路１４の絶縁耐圧を大きく確保できる。
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、ろう材層をＡｌ−Ｓｉ系ろう材により形成したが、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材、Ａｌ−Ｍｇ系ろう材などにより形成してもよい。この場合、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材は９５〜９９．５重量％のＡｌと、２〜０．５重量％のＭｎと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材は９０〜９９重量％のＡｌと、７〜１重量％のＣｕと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材は７２〜９５重量％のＡｌと、２５〜５重量％のＧｅと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、更にＡｌ−Ｍｇ系ろう材は９０〜９７重量％のＡｌと、７〜３重量％のＭｇと、３〜０重量％のその他の成分との合金であることが好ましい。
【００２１】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３ｍｍのＡｌＳｉＣ製のシンク本体１２の上面にシリカコーティング液をスピンコートした後に、３００℃に加熱して乾燥することにより、シンク本体１２の上面に厚さが２００μｍのシリカコーティング層１３ａを形成した。このシリカコーティング層１３ａの組成比は、シリカが８０重量％であり、ジルコニアが２０重量％であった。またシリカコーティング層１３ａは平均粒径が１．５μｍである窒化アルミニウム粉末をシリカに対して５０重量％含有した。次にシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク１１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板１０を実施例１とした。
【００２２】
＜実施例２＞
ＡｌＣ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例２とした。
＜実施例３＞
Ｍｏ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例３とした。
＜実施例４＞
ＣｕＳｉＣ製のシンク本体を用いたことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例４とした。
【００２３】
＜実施例５＞
図３に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３ｍｍのＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａを型に収容した状態でこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａがアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆されたシンク本体２２を作製した。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に厚さが１００μｍの陽極酸化皮膜２３ａを形成した。次にアルミニウム被覆体２２ｂの上面にシリカコーティング液をスピンコートした後に、３００℃に加熱して乾燥することにより、陽極酸化皮膜２３ａの上面に厚さが１００μｍのシリカコーティング層１３ａを形成した。このシリカコーティング層１３ａを上側にしたヒートシンク３１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板３０を実施例５とした。
【００２４】
＜実施例６＞
図２に示すように、先ず縦×横×厚さが５０×５０×３０ｍｍのＡｌＳｉＣ製の芯部２２ａを型に収容した状態でこの型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、芯部２２ａがアルミニウム被覆体２２ｂにより被覆されたシンク本体２２を作製した。次いでアルミニウム被覆体２２ｂの表面を陽極酸化処理することにより、アルミニウム被覆体２２ｂの全表面に厚さが１００μｍの陽極酸化皮膜２３ａを形成した。次にヒートシンク２１の上に、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系のろう材層１６と、純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである回路１４となるＡｌ合金板を重ねた。この状態でこれらに０．１ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。積層接着後、上記Ａｌ合金板をエッチング法により所定のパターンの回路１４に形成した。この回路基板２０を実施例６とした。
【００２５】
＜実施例７＞
ＡｌＣ製の芯部を用いたことを除いて、実施例５と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例７とした。
＜実施例８＞
厚さがそれぞれ１ｍｍである２枚のＡｌ板により厚さが１ｍｍであるＭｏ板を挟持したクラッド材（Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材）により芯部を形成したことを除いて、実施例５と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例８とした。
＜実施例９＞
ＡｌＳｉＣ製のシンク本体を用い、シリカコーティング層にフィラーを分散しなかったことを除いて、実施例１と同様にして回路基板を作製した。この回路基板を実施例２とした。
【００２６】
＜実施例１０＞
Ａｌ：Ｍｎが９８．５重量％：１．５重量％であるＡｌ−Ｍｎ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１０とした。
＜実施例１１＞
Ａｌ：Ｃｕが９５．５重量％：４．５重量％であるＡｌ−Ｃｕ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１１とした。
＜実施例１２＞
Ａｌ：Ｇｅが８５重量％：１５重量％であるＡｌ−Ｇｅ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１２とした。
＜実施例１３＞
Ａｌ：Ｍｇが９５重量％：５重量％であるＡｌ−Ｍｇ系のろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例１３とした。
【００２７】
＜比較例１＞
先ずセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板を積層接着した後に、第２アルミニウム板をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。次いで第２アルミニウム板上にニッケルめっきを施した後に、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップをダイボンドした。次に銅板からなるヒートシンクの上にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを重ね、このＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの上に、第１アルミニウム板を下側にしてセラミック基板を重ねて積層接着した。更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム板とをワイヤボンディングした。この半導体チップを搭載したセラミック回路基板を比較例１とした。
【００２８】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜１３の回路上にニッケルめっきを施し、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップをダイボンドし、更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム板とをワイヤボンディングして、回路基板上に半導体チップを搭載した。
上記実施例１〜１３の半導体チップを搭載した回路基板と、比較例１の半導体チップを搭載したセラミック回路基板について、−４０℃から１２５℃までの昇温及び１２５℃から−４０℃までの降温を１サイクルとする温度サイクル試験を３０００回行った。また温度サイクル試験前の半導体チップ表面及びヒートシンク裏面間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定し、３０００サイクルの温度サイクル試験後の半導体チップ表面及びヒートシンク裏面間の熱抵抗を測定した。なお、３０００サイクルの温度サイクル試験後の熱抵抗は温度サイクル試験前の熱抵抗からの上昇率（％）で示した。また回路とヒートシンクとの界面の信頼性は剥離の有無により評価した。これらの結果を、シンク本体の種類と、陽極酸化皮膜及びシリカコーティング層（ＳｉＯ2層）の厚さと、フィラーの種類とともに表１に示す。
【００２９】
【表１】
表１から明らかなように、比較例１では、サイクル試験後の熱抵抗が１００％以上も上昇したのに対し、実施例１〜１３では、３．０〜４．１％と僅かしか上昇しなかった。また比較例１では、回路とヒートシンクとの界面の信頼性が１０００サイクルと短かったのに対し、実施例１〜１３では、３０００サイクル以上と延びた。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シンク本体が（２．０〜１０．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、絶縁層を無機物により形成し、更に回路を９９．５％以上の純度のＡｌ合金により形成したので、ヒートシンクが回路上の半導体チップと略同一の低熱膨張係数を有する。この結果、回路基板に熱サイクルを作用させても、はんだ層にクラックが発生することはないので、回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
またシンク本体をＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより形成し、絶縁層がシンク本体の表面に積層接着されたシリカコーティング層であり、更に回路をシリカコーティング層にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記とどうようの効果が得られる。
【００３２】
またシンク本体が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部と、この芯部の全面を被覆するアルミニウム被覆体とを有し、絶縁層がアルミニウム被覆体の表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜であり、更に回路を陽極酸化皮膜にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記と同様の効果が得られるとともに、ろう材層を介装することにより陽極酸化皮膜と回路との密着性が良好となり、回路の厚さを厚くしても剥離が生じない。
またシンク本体が上記芯部とアルミニウム被覆体とを有し、絶縁層が上記陽極酸化皮膜と、陽極酸化皮膜の表面に積層接着されたシリカコーティング層とを有し、更に回路をシリカコーティング層にＡｌ系のろう材層により積層接着すれば、上記と同様の効果が得られるとともに、ろう材層を介装することによりシリカコーティング層と回路との密着性が向上し、回路の絶縁耐圧を大きく確保できる。
更にシリカコーティング層に、窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーを分散すれば、シリカコーティング層の熱伝導率が高くなるので、回路からの熱が速やかにシンク本体に伝わる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【図２】本発明第２実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【図３】本発明第３実施形態のヒートシンク付回路基板の断面図。
【符号の説明】
１０，２０，３０ ヒートシンク付回路基板
１１，２１，３１ ヒートシンク
１２，２２ シンク本体
１３，２３，３３ 絶縁層
１３ａ シリカコーティング層
１４ 回路
１６ ろう材層
２２ａ 芯部
２２ｂ アルミニウム被覆体
２３ａ 陽極酸化皮膜
Claims (4)
- ヒートシンク(11)がシンク本体(12)とこのシンク本体(12)の表面に形成された絶縁層(13)とを備え、前記絶縁層(13)に回路(14)が積層接着されたヒートシンク付回路基板において、
前記シンク本体(12)がＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣ又はＭｏのいずれかにより形成されて（２．０〜１０．０）×１０-6／℃の熱膨張係数を有し、
前記絶縁層(13)が前記シンク本体の表面に積層接着されたシリカコーティング層 (13a) であり、
前記回路(14)が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともに前記シリカコーティング層 (13a) にＡｌ系のろう材層 (16) により積層接着された
ことを特徴とするヒートシンク付回路基板。 - ヒートシンク (11) がシンク本体 (12) とこのシンク本体 (12) の表面に形成された絶縁層 (13) とを備え、前記絶縁層 (13) に回路 (14) が積層接着されたヒートシンク付回路基板において、
前記シンク本体(22)が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部(22a)と、この芯部(22a)の全面を被覆するアルミニウム被覆体(22b)とを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、
前記絶縁層(23)が前記アルミニウム被覆体(22b)の表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜(23a)であり、
前記回路(14)が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともに前記陽極酸化皮膜(23a)にＡｌ系のろう材層(16)により積層接着された
ことを特徴とするヒートシンク付回路基板。 - ヒートシンク (11) がシンク本体 (12) とこのシンク本体 (12) の表面に形成された絶縁層 (13) とを備え、前記絶縁層 (13) に回路 (14) が積層接着されたヒートシンク付回路基板において、
前記シンク本体(22)が、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｌのクラッド材、ＡｌＳｉＣ又はＡｌＣのいずれかにより形成された芯部(22a)と、この芯部(22a)の全面を被覆するアルミニウム被覆体(22b)とを有するとともに（２．０〜１０．０）×１０ -6 ／℃の熱膨張係数を有し、
前記絶縁層(33)が、前記アルミニウム被覆体(22b)の表面を陽極酸化処理することにより形成された陽極酸化皮膜(23a)と、前記陽極酸化皮膜(23a)の表面に積層接着されたシリカコーティング層(13a)とを有し、
前記回路(14)が９９．５％以上のＡｌ純度を有するＡｌ合金により形成されるとともに前記シリカコーティング層(13a)にＡｌ系のろう材層(16)により積層接着された
ことを特徴とするヒートシンク付回路基板。 - シリカコーティング層に窒化アルミ、窒化ボロン及びアルミナからなる群より選ばれた１種又は２種以上のフィラーが分散された請求項１又は３記載のヒートシンク付回路基板。
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