JP4387658B2 - ヒートシンク付セラミック回路基板及びその製造方法 - 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セラミック回路基板及びその製造方法に関し、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セラミック回路基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセラミック回路基板として、セラミック基板がＡｌＮにより形成され、このセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層接着され、更に銅板により形成されたヒートシンクが上記第１又は第２アルミニウム板にはんだを介して積層接着されたものが知られている。
【０００３】
この回路基板では、第１及び第２アルミニウム板のセラミック基板への積層接着は、第１アルミニウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材、セラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材及び第２アルミニウム板を重ねた状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中で６００〜６３０℃に加熱することにより行われ、第２アルミニウム板はエッチンクにより所定のパターンの回路となる。この後にヒートシンクが第１アルミニウム板にはんだを介して積層接着され、第２アルミニウム板上に半導体チップ等（図示せず）が搭載される。
【０００４】
このように構成されたセラミック回路基板では、半導体チップ等が発した熱は第２アルミニウム板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、セラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、第１アルミニウム板及びはんだを介してヒートシンクの表面から放散されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のセラミック回路基板では、半導体チップ等の発熱及び非発熱により、或いは周囲温度の変化により、回路基板が高温と低温との間で繰返し変化する、即ち回路基板に熱サイクルが作用すると、セラミック回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数差による熱応力が発生するため、はんだに歪みがたまって、はんだにクラックが発生するおそれがあった。
【０００７】
また、上記のような従来のセラミック回路基板では、はんだの熱抵抗が高いため、即ち、はんだの熱伝導率が低いため、セラミック回路基板上に搭載した半導体チップの温度が上昇して、半導体チップの動作不良やはんだ寿命の低下を招くおそれもあった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、熱サイクル寿命を延すことができ、ヒートシンクの放熱特性を良好に保つことができる、ヒートシンク付セラミック回路基板を提供することを第１の目的とする。また、銅板又は銅合金板とアルミニウム板又はアルミニウム合金板とを直接積層接着しても、その界面に金属間化合物が生成されるのを防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第２の目的とする。さらに、銅板又は銅合金板とアルミニウム板又はアルミニウム合金板との間にシリカコーティング層を介装することにより、製造時に回路基板を高温雰囲気中に曝しても金属間化合物の生成を防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第３の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。すなわち、請求項１に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅板又は銅合金板と、この銅板又は銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、前記シリカコーティング層にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板とにより構成され、前記第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に直接積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅板又は銅合金板を第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板にシリカコーティング層及び第３ろう材層を介して積層接着したので、第３ろう材層と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅板又は銅合金板と、この銅板又は銅合金板の全面に形成されたシリカコーティング層と、前記銅板又は銅合金板の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体とにより構成され、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に直接積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅板又は銅合金板をシリカコーティング層を介してアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体により覆ったので、アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金板と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成する工程と、前記シリカコーティング層の上にＡｌ系の第３ろう材層および第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を前記第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第３ろう材層及び第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を積層接着し、第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合しているので、第３ろう材層と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、銅板又は銅合金板と第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板とが剥離することはない。
【００１６】
請求項４に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板の全面にシリカコーティング層を形成した後に該シリカコーティング層の全面をアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体で被覆する工程と、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体を前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体を第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着するときに、銅板又は銅合金板とアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体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、銅板又は銅合金板とアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体とが剥離することはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明によるセラミック回路基板の参考例１が示されていて、このセラミック回路基板１０は、ＡｌＮにより形成されたセラミック基板１３と、このセラミック基板１３の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層１１、１２を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、第１アルミニウム合金板２１に積層接着されたヒートシンク１５とを備えている。
図１において、第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により形成され、第１及び第２ろう材層１１、１２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。
【００１８】
また、ヒートシンク１５は、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材により形成される。即ち、ヒートシンク１５は、銅合金板１６とこの銅合金板１６の上面に圧延又は圧接にて積層接着された第３アルミニウム合金板２３とにより構成される。銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成され、第３アルミニウム合金板２３は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。圧延は、熱をかけない冷間圧延であり、圧接は、熱をかけないプレス加工機を用いた圧接である。第３アルミニウム合金板２３は、第１アルミニウム合金板２１の表面に直接積層接着される。
【００１９】
次に、上記のように構成したこの参考例１によるヒートシンク付セラミック回路基板１０の製造方法ついて説明する。
先ず、第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。なお、上記非酸化性雰囲気には、アルゴンガス雰囲気、窒素ガス雰囲気などがある。
【００２０】
次に、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とをそれぞれ表面洗浄して酸化物層を除去した後に、圧延又は圧接により銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材を作製する。このクラッド材を所定の寸法に切断することによりヒートシンク１５が得られる。
【００２１】
次に、第３アルミニウム合金板２３を上側にしたヒートシンク１５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１及び第３アルミニウム合金板２１、２３中のＡｌ合金が溶融してヒートシンク１５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。また、超音波接合時には第３アルミニウム合金板２３と第１アルミニウム合金板２１との界面は比較的高温になるが、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３との界面は０〜４００℃、好ましくは０〜３００℃という常温又は低温に保たれるので、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３と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、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とが剥離することはない。
【００２２】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板１０は、ヒートシンク１５を第１アルミニウム合金板２１にはんだを用いずに直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ない。従って、熱サイクル寿命を延すことができるとともに、熱抵抗を低減できる。また、ヒートシンク１５の大部分が熱伝導率の高い銅合金板１６であるので、ヒートシンク１５の放熱特性を向上できるとともに、ヒートシンクをアルミニウムにより形成した場合と比較して、熱膨張係数が低くなるので、熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００２３】
図２には、本発明によるセラミック回路基板の参考例２が示されていて、このセラミック回路基板３０は、ヒートシンク３５を、銅合金板１６と、この銅合金板１６の表面に溶射によって形成されるアルミニウム合金層３６とによって構成したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、参考例１に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００２４】
図２において、銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。アルミニウム合金層３６は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。
【００２５】
次に、上記のように構成したこの参考例２によるヒートシンク付セラミック回路基板３０の製造方法について説明する。
先ず第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００２６】
次に、銅合金板１６を表面洗浄して酸化物層を除去した後に、アルミニウム合金を非酸化性雰囲気中で銅合金板１６の上面に溶射し、銅合金板１６の上面にアルミニウム合金層３６を形成する。
【００２７】
次に、アルミニウム合金層３６を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１アルミニウム合金板２１及びアルミニウム合金層３６中のＡｌ合金が溶融してヒートシンク３５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００２８】
上記の超音波接合時に、アルミニウム合金層３６と第１アルミニウム合金板２１との界面は比較的高温になるが、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６との界面は０〜４００℃、好ましくは０〜３００℃という常温又は低温に保たれるので、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６と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、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６とが剥離することはない。
【００２９】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板３０の動作は、参考例１に示すものの動作と略同様であるので、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３０】
図３には、本発明によるセラミック回路基板の第１の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板は、ヒートシンク４６を、銅板（又は銅合金板）１６と、この銅板（又は銅合金板）１６の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層４６と、シリカコーティング層４６の表面にＡｌ系の第３ろう材４３を介して積層接着された第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４とによって構成し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）に直接に積層接着したものであって、その他の構成は前記参考例１に示すものと同様であるので、参考例１に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００３１】
図３において、銅板（又は銅合金板）１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成され、第４アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）５４は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。また、シリカコーティング層４６の厚さは、５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜２０μｍに形成される。シリカコーティング層４６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を超えるとシリカコーティング層４６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。更に、第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）５４は、第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１の表面に直接積層接着される。なお、第３ろう材４３は、９０〜９５重量％のＡｌと、５〜１０重量％のＳｉとの合金により形成される。
【００３２】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板４０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム板（第２アルミニウム合金板）２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００３３】
次に、銅板（又は銅合金板）１６にシリカコーティング液をスピンコートするか、或いは銅板（又は銅合金板）１６をシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の一方の面或いは全面にシリカコーティング層４６を形成する。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４６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。
【００３４】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅板（又は銅合金板）１６の上に、第３ろう材層４３及び第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を重ね、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。この場合、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３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、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とが剥離することはない。
【００３５】
次に、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンクの上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１及び第４アルミニウム板５４（又は第４アルミニウム合金板）合金板中のＡｌ合金が溶融し、ヒートシンク３５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００３６】
上記の超音波接合時に、第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）５４と第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１との界面は比較的高温になるが、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３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、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とが剥離することはない。
【００３７】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板４０は、ヒートシンク４５を第１アルミニウム板２１に、はんだではなく直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を延すことができる。またヒートシンク４５の大部分が熱伝導率の高い銅板（又は銅合金板）１６であるので、ヒートシンク４５の放熱特性を向上できる。更に、銅板（又は銅合金板）１６を第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４にシリカコーティング層４６及び第３ろう材層４３を介して積層接着したので、第３ろう材層４３と銅板（又は銅合金板）１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板４０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００３８】
また、シリカコーティング層４６と第１アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２との間に第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を介装させているので、シリカコーティング層４６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができる。
【００３９】
図４には、本発明によるセラミック回路基板の第２の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を、銅板（又は銅合金板）１６と、この銅板（又は銅合金板）１６の全面に形成されたシリカコーティング層６６と、銅板（又は銅合金板）１６の全面をシリカコーティング層６６を介して覆うアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７とによって構成し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体６７）を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に直接積層接着したものであって、その他の構成は前記参考例１及び第１の実施の形態に示すものと同様であるので、参考例１及び第１の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００４０】
図４において、銅板（又は銅合金板）１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。また、シリカコーティング層６６は、第１の実施の形態のシリカコーティング層と同一材質であり、その厚さも同一に形成される。更に、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７は、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に直接積層接着される。
【００４１】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板６０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００４２】
次に、銅板（又は銅合金板）１６を第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の全面にシリカコーティング層６６を形成する。次に、所定の型に、シリカコーティング層６６が形成された銅板（又は銅合金板）１６を収容し、この状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却することにより、ヒートシンク６５を作製する。
【００４３】
次に、ヒートシンク６５の上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１及びアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７中のＡｌ合金が溶融し、ヒートシンク６５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００４４】
上記の超音波接合時に、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７と第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１との界面は比較的高温になるが、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）６７との間にはシリカコーティング層６６が介装されているので、即ち、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）６７とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７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、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７とが剥離することはない。
【００４５】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に、はんだではなく直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を延すことができる。また、ヒートシンク６５の大部分が熱伝導率の高い銅板（又は銅合金板）１６であるので、ヒートシンク６５の放熱特性を向上できる。更に、銅板（又は銅合金板）１６をシリカコーティング層６６を介してアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７により覆ったので、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７と銅板（又は銅合金板）１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板６０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００４６】
また、シリカコーティング層６６と第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２との間に第４アルミニウム被覆体（又は第４アルミニウム合金被覆体）６７を介装させているので、シリカコーティング層６６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができる。
【００４７】
なお、前記第１、第２の実施の形態においては、セラミック基板をＡｌＮにより形成したが、セラミック基板をＳｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３により形成してもよい。
【００４８】
また、前記第１、第２の実施の形態においては、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）にヒートシンクを直接積層接着したが、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）にヒートシンクを直接積層接着してもよい。
【００４９】
更に、前記第１、第２の実施の形態では、第１〜第３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。
【００５０】
【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、予め純度が９９．９８％であって、縦×横×厚さが３０×３０×０．４ｍｍである第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、ＡｌＮにより縦×横×厚さが３０×３０×０．６３５ｍｍに形成されたセラミック基板１３と、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系の第１及び第２ろう材層１１、１２とを用意した。また純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである第３アルミニウム合金板２３と、純度が９９．５％であって厚さが３ｍｍである銅合金板１６とを用意した。
【００５１】
先ず、上記第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、この状態で、これらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱した。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２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。
【００５２】
次に、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とをそれぞれ表面洗浄して酸化物層を除去した後に、冷間圧延により銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材を作製し、このクラッド材を縦×横が５０×５０ｍｍである正方形板状に切断してヒートシンク１５を得た。
【００５３】
次に、第３アルミニウム合金板２３を上側にしたヒートシンク１５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５ＭＰａの圧力を加え、３０℃の大気雰囲気中で超音波接合した。このセラミック回路基板１０を実施例１とした。
【００５４】
＜実施例２＞
図２に示すように、先ず実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム合金板２２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。
【００５５】
次に、実施例１と同一材質かつ同一形状の銅合金板１６を表面洗浄して酸化物層を除去した後に、アルミニウム合金を非酸化性雰囲気中で銅合金板１６の上面に溶射することにより、銅合金板１６の上面にアルミニウム合金層３６を形成した。
【００５６】
次に、アルミニウム合金層３６を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板３０を実施例２とした。
【００５７】
＜実施例３＞
図３に示すように、先ず実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２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。
【００５８】
次に、銅板（又は銅合金板）１６にシリカコーティング液をスピンコートして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の一方の面にシリカコーティング層４６を形成した。このシリカコーティング層４６の組成比は、シリカが８０重量％であってジルコニアが２０重量％であった。
【００５９】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅板（又は銅合金板）１６の上に、第３ろう材層４３（Ａｌ：Ｓｉ＝９３重量％：７重量％）及び第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を重ね、この状態でこれらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。
【００６０】
次に、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板４０を実施例３とした。
【００６１】
＜実施例４＞
図４に示すように、先ず、実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２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。
【００６２】
次に、銅板（又は銅合金板）１６を実施例３と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の全面にシリカコーティング層６６を形成した。
【００６３】
次に、この銅板（又は銅合金板）１６を型に収容した状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、ヒートシンク６５を作製した。
【００６４】
次に、ヒートシンク６５の上に、第１アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板６０を実施例４とした。
【００６５】
＜実施例５＞
Ａｌ：Ｍｎが９８．５重量％：１．５重量％であるＡｌ−Ｍｎ系の第１及び第２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５とした。
【００６６】
＜実施例６＞
Ａｌ：Ｃｕが９５．５重量％：４．５重量％であるＡｌ−Ｃｕ系の第１及び第２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６とした。
【００６７】
＜実施例７＞
Ａｌ：Ｇｅが８５重量％：１５重量％であるＡｌ−Ｇｅ系の第１及び第２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７とした。
【００６８】
＜実施例８＞
Ａｌ：Ｍｇが９５重量％：５重量％であるＡｌ−Ｍｇ系の第１及び第２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８とした。
【００６９】
＜比較例１＞
先ず実施例１と同様にしてセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム合金板を積層接着した後に、第２アルミニウム合金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。
【００７０】
次に、第２アルミニウム合金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（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）をダイボンドした。
【００７１】
次に、実施例１と同一の銅合金板からなるヒートシンクの上にろう材層としてＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを重ね、このＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの上に、第１アルミニウム合金板を下側にしてセラミック基板を重ねて積層接着した。
【００７２】
次に、Ａｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム合金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。
【００７３】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜８のセラミック回路基板の第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）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（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）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（又は第２アルミニウム合金板）とをワイヤボンディングして、セラミック回路基板上に半導体チップを搭載した。
【００７４】
上記実施例１〜８及び比較例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とヒートシンク裏面との間の熱抵抗（℃／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とヒートシンク裏面との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。また回路基板及びヒートシンク間の界面の信頼性は剥離の有無で評価した。これらの結果を、各ろう材層の材質とともに表１に示す。
【００７５】
【表１】
【００７６】
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１〜８では、３．０〜４．２％と僅かしか上昇しなかった。また比較例１では１０００サイクルまでに回路基板及びヒートシンク間の界面（はんだ部）で剥離したが、実施例１〜８では３０００サイクルでも回路基板及びヒートシンク間の界面で剥離しなかった。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅板（又は銅合金板）と、この銅板（又は銅合金板）の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、シリカコーティング層の表面にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）とにより構成し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を第１又は第２アルミニウム板（又は第１又は第２アルミニウム合金板）に直接積層接着しているので、第３ろう材層と銅板（銅合金）との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００８０】
さらに、本発明の請求項２に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅板（又は銅合金）と、この銅板（又は銅合金）の全面に形成されたシリカコーティング層と、銅板（又は銅合金板）の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）とにより構成し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）を第１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）に直接積層接着しているので、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）と銅板（又は銅合金板）との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００８３】
さらに、請求項３に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）をそれぞれ積層接着し、銅板（又は銅合金板）の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成し、シリカコーティング層の上にＡｌ系の第３ろう材層を介して第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を積層接着し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンクの上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）を下側にしたセラミック基板を重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合するように構成したので、銅板（又は銅合金板）と第３ろう材層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、銅板（又は銅合金板）と第３ろう材層とが剥離することはない。
【００８４】
さらに、請求項４に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）をそれぞれ積層接着し、銅板（又は銅合金板）の全面にシリカコーティング層を形成した後に該シリカコーティング層の全面をアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）で被覆し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）を第１又は第２アルミニウム板（又は第１又は第２アルミニウム合金板）に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合するように構成したので、銅板（又は銅合金板）とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）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、銅板（又は銅合金板）とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）とが剥離することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図２】 本発明による第２の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図３】 本発明による第３の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図４】 本発明による第４の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０、６０ セラミック回路基板
１１ 第１ろう材層
１２ 第２ろう材層
１３ セラミック基板
１５、３５、４５、６５ ヒートシンク
１６ 銅板（銅合金板）
２１ 第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）
２２ 第２アルミニウム板（第２アルミニウム合金板）
２３ 第３アルミニウム板（第３アルミニウム合金板）
３６ アルミニウム層（アルミニウム合金層）
４３ 第３ろう材層
４６、６６ シリカコーティング層
５４ 第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）
６７ アルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）
【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セラミック回路基板及びその製造方法に関し、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セラミック回路基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセラミック回路基板として、セラミック基板がＡｌＮにより形成され、このセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層接着され、更に銅板により形成されたヒートシンクが上記第１又は第２アルミニウム板にはんだを介して積層接着されたものが知られている。
【０００３】
この回路基板では、第１及び第２アルミニウム板のセラミック基板への積層接着は、第１アルミニウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材、セラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材及び第２アルミニウム板を重ねた状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中で６００〜６３０℃に加熱することにより行われ、第２アルミニウム板はエッチンクにより所定のパターンの回路となる。この後にヒートシンクが第１アルミニウム板にはんだを介して積層接着され、第２アルミニウム板上に半導体チップ等（図示せず）が搭載される。
【０００４】
このように構成されたセラミック回路基板では、半導体チップ等が発した熱は第２アルミニウム板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、セラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、第１アルミニウム板及びはんだを介してヒートシンクの表面から放散されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のセラミック回路基板では、半導体チップ等の発熱及び非発熱により、或いは周囲温度の変化により、回路基板が高温と低温との間で繰返し変化する、即ち回路基板に熱サイクルが作用すると、セラミック回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数差による熱応力が発生するため、はんだに歪みがたまって、はんだにクラックが発生するおそれがあった。
【０００７】
また、上記のような従来のセラミック回路基板では、はんだの熱抵抗が高いため、即ち、はんだの熱伝導率が低いため、セラミック回路基板上に搭載した半導体チップの温度が上昇して、半導体チップの動作不良やはんだ寿命の低下を招くおそれもあった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、熱サイクル寿命を延すことができ、ヒートシンクの放熱特性を良好に保つことができる、ヒートシンク付セラミック回路基板を提供することを第１の目的とする。また、銅板又は銅合金板とアルミニウム板又はアルミニウム合金板とを直接積層接着しても、その界面に金属間化合物が生成されるのを防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第２の目的とする。さらに、銅板又は銅合金板とアルミニウム板又はアルミニウム合金板との間にシリカコーティング層を介装することにより、製造時に回路基板を高温雰囲気中に曝しても金属間化合物の生成を防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第３の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。すなわち、請求項１に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅板又は銅合金板と、この銅板又は銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、前記シリカコーティング層にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板とにより構成され、前記第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に直接積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅板又は銅合金板を第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板にシリカコーティング層及び第３ろう材層を介して積層接着したので、第３ろう材層と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅板又は銅合金板と、この銅板又は銅合金板の全面に形成されたシリカコーティング層と、前記銅板又は銅合金板の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体とにより構成され、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に直接積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅板又は銅合金板をシリカコーティング層を介してアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体により覆ったので、アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金板と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成する工程と、前記シリカコーティング層の上にＡｌ系の第３ろう材層および第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を前記第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第３ろう材層及び第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を積層接着し、第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合しているので、第３ろう材層と銅板又は銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、銅板又は銅合金板と第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板とが剥離することはない。
【００１６】
請求項４に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板の全面にシリカコーティング層を形成した後に該シリカコーティング層の全面をアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体で被覆する工程と、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体を前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体を第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着するときに、銅板又は銅合金板とアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体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、銅板又は銅合金板とアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体とが剥離することはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明によるセラミック回路基板の参考例１が示されていて、このセラミック回路基板１０は、ＡｌＮにより形成されたセラミック基板１３と、このセラミック基板１３の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層１１、１２を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、第１アルミニウム合金板２１に積層接着されたヒートシンク１５とを備えている。
図１において、第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により形成され、第１及び第２ろう材層１１、１２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。
【００１８】
また、ヒートシンク１５は、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材により形成される。即ち、ヒートシンク１５は、銅合金板１６とこの銅合金板１６の上面に圧延又は圧接にて積層接着された第３アルミニウム合金板２３とにより構成される。銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成され、第３アルミニウム合金板２３は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。圧延は、熱をかけない冷間圧延であり、圧接は、熱をかけないプレス加工機を用いた圧接である。第３アルミニウム合金板２３は、第１アルミニウム合金板２１の表面に直接積層接着される。
【００１９】
次に、上記のように構成したこの参考例１によるヒートシンク付セラミック回路基板１０の製造方法ついて説明する。
先ず、第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。なお、上記非酸化性雰囲気には、アルゴンガス雰囲気、窒素ガス雰囲気などがある。
【００２０】
次に、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とをそれぞれ表面洗浄して酸化物層を除去した後に、圧延又は圧接により銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材を作製する。このクラッド材を所定の寸法に切断することによりヒートシンク１５が得られる。
【００２１】
次に、第３アルミニウム合金板２３を上側にしたヒートシンク１５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１及び第３アルミニウム合金板２１、２３中のＡｌ合金が溶融してヒートシンク１５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。また、超音波接合時には第３アルミニウム合金板２３と第１アルミニウム合金板２１との界面は比較的高温になるが、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３との界面は０〜４００℃、好ましくは０〜３００℃という常温又は低温に保たれるので、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３と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、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とが剥離することはない。
【００２２】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板１０は、ヒートシンク１５を第１アルミニウム合金板２１にはんだを用いずに直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ない。従って、熱サイクル寿命を延すことができるとともに、熱抵抗を低減できる。また、ヒートシンク１５の大部分が熱伝導率の高い銅合金板１６であるので、ヒートシンク１５の放熱特性を向上できるとともに、ヒートシンクをアルミニウムにより形成した場合と比較して、熱膨張係数が低くなるので、熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００２３】
図２には、本発明によるセラミック回路基板の参考例２が示されていて、このセラミック回路基板３０は、ヒートシンク３５を、銅合金板１６と、この銅合金板１６の表面に溶射によって形成されるアルミニウム合金層３６とによって構成したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、参考例１に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００２４】
図２において、銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。アルミニウム合金層３６は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。
【００２５】
次に、上記のように構成したこの参考例２によるヒートシンク付セラミック回路基板３０の製造方法について説明する。
先ず第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００２６】
次に、銅合金板１６を表面洗浄して酸化物層を除去した後に、アルミニウム合金を非酸化性雰囲気中で銅合金板１６の上面に溶射し、銅合金板１６の上面にアルミニウム合金層３６を形成する。
【００２７】
次に、アルミニウム合金層３６を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１アルミニウム合金板２１及びアルミニウム合金層３６中のＡｌ合金が溶融してヒートシンク３５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００２８】
上記の超音波接合時に、アルミニウム合金層３６と第１アルミニウム合金板２１との界面は比較的高温になるが、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６との界面は０〜４００℃、好ましくは０〜３００℃という常温又は低温に保たれるので、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６と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、銅合金板１６とアルミニウム合金層３６とが剥離することはない。
【００２９】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板３０の動作は、参考例１に示すものの動作と略同様であるので、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３０】
図３には、本発明によるセラミック回路基板の第１の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板は、ヒートシンク４６を、銅板（又は銅合金板）１６と、この銅板（又は銅合金板）１６の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層４６と、シリカコーティング層４６の表面にＡｌ系の第３ろう材４３を介して積層接着された第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４とによって構成し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）に直接に積層接着したものであって、その他の構成は前記参考例１に示すものと同様であるので、参考例１に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００３１】
図３において、銅板（又は銅合金板）１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成され、第４アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）５４は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。また、シリカコーティング層４６の厚さは、５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜２０μｍに形成される。シリカコーティング層４６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を超えるとシリカコーティング層４６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。更に、第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）５４は、第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１の表面に直接積層接着される。なお、第３ろう材４３は、９０〜９５重量％のＡｌと、５〜１０重量％のＳｉとの合金により形成される。
【００３２】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板４０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム板（第２アルミニウム合金板）２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００３３】
次に、銅板（又は銅合金板）１６にシリカコーティング液をスピンコートするか、或いは銅板（又は銅合金板）１６をシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の一方の面或いは全面にシリカコーティング層４６を形成する。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４６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。
【００３４】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅板（又は銅合金板）１６の上に、第３ろう材層４３及び第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を重ね、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。この場合、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３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、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とが剥離することはない。
【００３５】
次に、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンクの上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１及び第４アルミニウム板５４（又は第４アルミニウム合金板）合金板中のＡｌ合金が溶融し、ヒートシンク３５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００３６】
上記の超音波接合時に、第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）５４と第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）２１との界面は比較的高温になるが、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６と第３ろう材層４３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、銅板（銅合金板）１６と第３ろう材層４３とが剥離することはない。
【００３７】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板４０は、ヒートシンク４５を第１アルミニウム板２１に、はんだではなく直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を延すことができる。またヒートシンク４５の大部分が熱伝導率の高い銅板（又は銅合金板）１６であるので、ヒートシンク４５の放熱特性を向上できる。更に、銅板（又は銅合金板）１６を第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４にシリカコーティング層４６及び第３ろう材層４３を介して積層接着したので、第３ろう材層４３と銅板（又は銅合金板）１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板４０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００３８】
また、シリカコーティング層４６と第１アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２との間に第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を介装させているので、シリカコーティング層４６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができる。
【００３９】
図４には、本発明によるセラミック回路基板の第２の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を、銅板（又は銅合金板）１６と、この銅板（又は銅合金板）１６の全面に形成されたシリカコーティング層６６と、銅板（又は銅合金板）１６の全面をシリカコーティング層６６を介して覆うアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７とによって構成し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体６７）を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に直接積層接着したものであって、その他の構成は前記参考例１及び第１の実施の形態に示すものと同様であるので、参考例１及び第１の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００４０】
図４において、銅板（又は銅合金板）１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。また、シリカコーティング層６６は、第１の実施の形態のシリカコーティング層と同一材質であり、その厚さも同一に形成される。更に、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７は、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に直接積層接着される。
【００４１】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板６０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２を重ね、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℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００４２】
次に、銅板（又は銅合金板）１６を第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の全面にシリカコーティング層６６を形成する。次に、所定の型に、シリカコーティング層６６が形成された銅板（又は銅合金板）１６を収容し、この状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却することにより、ヒートシンク６５を作製する。
【００４３】
次に、ヒートシンク６５の上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、常温（０〜５０℃）の大気雰囲気中で超音波接合する。これにより、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１及びアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７中のＡｌ合金が溶融し、ヒートシンク６５が第１アルミニウム合金板２１に積層接着される。
【００４４】
上記の超音波接合時に、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７と第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１との界面は比較的高温になるが、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）６７との間にはシリカコーティング層６６が介装されているので、即ち、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）６７とは直接接触していないので、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７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、銅板（又は銅合金板）１６とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７とが剥離することはない。
【００４５】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１に、はんだではなく直接積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を延すことができる。また、ヒートシンク６５の大部分が熱伝導率の高い銅板（又は銅合金板）１６であるので、ヒートシンク６５の放熱特性を向上できる。更に、銅板（又は銅合金板）１６をシリカコーティング層６６を介してアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７により覆ったので、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）６７と銅板（又は銅合金板）１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板６０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００４６】
また、シリカコーティング層６６と第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）２１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２との間に第４アルミニウム被覆体（又は第４アルミニウム合金被覆体）６７を介装させているので、シリカコーティング層６６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができる。
【００４７】
なお、前記第１、第２の実施の形態においては、セラミック基板をＡｌＮにより形成したが、セラミック基板をＳｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３により形成してもよい。
【００４８】
また、前記第１、第２の実施の形態においては、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）にヒートシンクを直接積層接着したが、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）にヒートシンクを直接積層接着してもよい。
【００４９】
更に、前記第１、第２の実施の形態では、第１〜第３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。
【００５０】
【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、予め純度が９９．９８％であって、縦×横×厚さが３０×３０×０．４ｍｍである第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、ＡｌＮにより縦×横×厚さが３０×３０×０．６３５ｍｍに形成されたセラミック基板１３と、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系の第１及び第２ろう材層１１、１２とを用意した。また純度が９９．９８％であって厚さが０．４ｍｍである第３アルミニウム合金板２３と、純度が９９．５％であって厚さが３ｍｍである銅合金板１６とを用意した。
【００５１】
先ず、上記第１アルミニウム合金板２１の上に、第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、この状態で、これらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱した。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２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。
【００５２】
次に、銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３とをそれぞれ表面洗浄して酸化物層を除去した後に、冷間圧延により銅合金板１６と第３アルミニウム合金板２３のクラッド材を作製し、このクラッド材を縦×横が５０×５０ｍｍである正方形板状に切断してヒートシンク１５を得た。
【００５３】
次に、第３アルミニウム合金板２３を上側にしたヒートシンク１５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、これらに０．０５ＭＰａの圧力を加え、３０℃の大気雰囲気中で超音波接合した。このセラミック回路基板１０を実施例１とした。
【００５４】
＜実施例２＞
図２に示すように、先ず実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム合金板２２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。
【００５５】
次に、実施例１と同一材質かつ同一形状の銅合金板１６を表面洗浄して酸化物層を除去した後に、アルミニウム合金を非酸化性雰囲気中で銅合金板１６の上面に溶射することにより、銅合金板１６の上面にアルミニウム合金層３６を形成した。
【００５６】
次に、アルミニウム合金層３６を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板３０を実施例２とした。
【００５７】
＜実施例３＞
図３に示すように、先ず実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２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。
【００５８】
次に、銅板（又は銅合金板）１６にシリカコーティング液をスピンコートして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の一方の面にシリカコーティング層４６を形成した。このシリカコーティング層４６の組成比は、シリカが８０重量％であってジルコニアが２０重量％であった。
【００５９】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅板（又は銅合金板）１６の上に、第３ろう材層４３（Ａｌ：Ｓｉ＝９３重量％：７重量％）及び第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）５４を重ね、この状態でこれらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。
【００６０】
次に、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンク３５の上に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板４０を実施例３とした。
【００６１】
＜実施例４＞
図４に示すように、先ず、実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）２２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。
【００６２】
次に、銅板（又は銅合金板）１６を実施例３と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅板（又は銅合金板）１６の全面にシリカコーティング層６６を形成した。
【００６３】
次に、この銅板（又は銅合金板）１６を型に収容した状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、ヒートシンク６５を作製した。
【００６４】
次に、ヒートシンク６５の上に、第１アルミニウム板（又はアルミニウム合金板）２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、実施例１と同様に超音波接合した。このセラミック回路基板６０を実施例４とした。
【００６５】
＜実施例５＞
Ａｌ：Ｍｎが９８．５重量％：１．５重量％であるＡｌ−Ｍｎ系の第１及び第２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５とした。
【００６６】
＜実施例６＞
Ａｌ：Ｃｕが９５．５重量％：４．５重量％であるＡｌ−Ｃｕ系の第１及び第２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６とした。
【００６７】
＜実施例７＞
Ａｌ：Ｇｅが８５重量％：１５重量％であるＡｌ−Ｇｅ系の第１及び第２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７とした。
【００６８】
＜実施例８＞
Ａｌ：Ｍｇが９５重量％：５重量％であるＡｌ−Ｍｇ系の第１及び第２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８とした。
【００６９】
＜比較例１＞
先ず実施例１と同様にしてセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム合金板を積層接着した後に、第２アルミニウム合金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。
【００７０】
次に、第２アルミニウム合金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（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）をダイボンドした。
【００７１】
次に、実施例１と同一の銅合金板からなるヒートシンクの上にろう材層としてＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを重ね、このＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの上に、第１アルミニウム合金板を下側にしてセラミック基板を重ねて積層接着した。
【００７２】
次に、Ａｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム合金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。
【００７３】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜８のセラミック回路基板の第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）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（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）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（又は第２アルミニウム合金板）とをワイヤボンディングして、セラミック回路基板上に半導体チップを搭載した。
【００７４】
上記実施例１〜８及び比較例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とヒートシンク裏面との間の熱抵抗（℃／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とヒートシンク裏面との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。また回路基板及びヒートシンク間の界面の信頼性は剥離の有無で評価した。これらの結果を、各ろう材層の材質とともに表１に示す。
【００７５】
【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１〜８では、３．０〜４．２％と僅かしか上昇しなかった。また比較例１では１０００サイクルまでに回路基板及びヒートシンク間の界面（はんだ部）で剥離したが、実施例１〜８では３０００サイクルでも回路基板及びヒートシンク間の界面で剥離しなかった。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅板（又は銅合金板）と、この銅板（又は銅合金板）の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、シリカコーティング層の表面にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）とにより構成し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を第１又は第２アルミニウム板（又は第１又は第２アルミニウム合金板）に直接積層接着しているので、第３ろう材層と銅板（銅合金）との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００８０】
さらに、本発明の請求項２に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅板（又は銅合金）と、この銅板（又は銅合金）の全面に形成されたシリカコーティング層と、銅板（又は銅合金板）の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）とにより構成し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）を第１又は第２アルミニウム板（又は第２アルミニウム合金板）に直接積層接着しているので、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）と銅板（又は銅合金板）との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００８３】
さらに、請求項３に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）をそれぞれ積層接着し、銅板（又は銅合金板）の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成し、シリカコーティング層の上にＡｌ系の第３ろう材層を介して第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を積層接着し、第４アルミニウム板（又は第４アルミニウム合金板）を上側にしたヒートシンクの上に、第１アルミニウム板（又は第１アルミニウム合金板）を下側にしたセラミック基板を重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合するように構成したので、銅板（又は銅合金板）と第３ろう材層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、銅板（又は銅合金板）と第３ろう材層とが剥離することはない。
【００８４】
さらに、請求項４に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム板（又は第１及び第２アルミニウム合金板）をそれぞれ積層接着し、銅板（又は銅合金板）の全面にシリカコーティング層を形成した後に該シリカコーティング層の全面をアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）で被覆し、アルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）を第１又は第２アルミニウム板（又は第１又は第２アルミニウム合金板）に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合するように構成したので、銅板（又は銅合金板）とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）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、銅板（又は銅合金板）とアルミニウム被覆体（又はアルミニウム合金被覆体）とが剥離することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図２】 本発明による第２の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図３】 本発明による第３の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図４】 本発明による第４の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０、６０ セラミック回路基板
１１ 第１ろう材層
１２ 第２ろう材層
１３ セラミック基板
１５、３５、４５、６５ ヒートシンク
１６ 銅板（銅合金板）
２１ 第１アルミニウム板（第１アルミニウム合金板）
２２ 第２アルミニウム板（第２アルミニウム合金板）
２３ 第３アルミニウム板（第３アルミニウム合金板）
３６ アルミニウム層（アルミニウム合金層）
４３ 第３ろう材層
４６、６６ シリカコーティング層
５４ 第４アルミニウム板（第４アルミニウム合金板）
６７ アルミニウム被覆体（アルミニウム合金被覆体）
Claims (4)
- セラミック基板（１３）と、前記セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に積層接着されたヒートシンク（４５）とを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンク（４５）が、銅板又は銅合金板（１６）と、この銅板又は銅合金板（１６）の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層（４６）と、前記シリカコーティング層（４６）にＡｌ系の第３ろう材層（４３）を介して積層接着された第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板（５４）とにより構成され、前記第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板（５４）が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に直接積層接着されたことを特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板。
- セラミック基板（１３）と、前記セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）と、前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に積層接着されたヒートシンク（６５）とを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンク（６５）が、銅板又は銅合金板（１６）と、この銅板又は銅合金板（１６）の全面に形成されたシリカコーティング層（６６）と、前記銅板又は銅合金板（１６）の全面をシリカコーティング層（６６）を介して覆うアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体（６７）とにより構成され、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体（６７）が前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に直接積層接着されたことを特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板。
- セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板（１６）の少なくとも一方の面にシリカコーティング層（４６）を形成する工程と、前記シリカコーティング層（４６）の上にＡｌ系の第３ろう材層（４３）および第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板（５４）をそれぞれ積層接着する工程と、第４アルミニウム板又は第４アルミニウム合金板を前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程を含むヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法。
- セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介して第１及び第２アルミニウム板又は第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）をそれぞれ積層接着する工程と、銅板又は銅合金板（１６）の全面にシリカコーティング層（６６）を形成した後に該シリカコーティング層の全面をアルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体（６７）で被覆する工程と、前記アルミニウム被覆体又はアルミニウム合金被覆体（６７）を前記第１又は第２アルミニウム板又は第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に）に重ねて圧力を加えながら、常温で超音波接合する工程とを含むヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法。
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