JP4744385B2 - 放熱基板およびこれを用いた電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）素子等の半導体素子、昇華型サーマルプリンターヘッド素子、サーマルインクジェットプリンターヘッド素子等の各種電子部品が搭載され、これら電子部品の放熱効率を高める放熱基板であり、さらに、放熱基板に半導体素子等の電子部品を搭載した電子装置に関する。

近年、パワートランジスタモジュールやスイッチング電源モジュール等のパワーモジュールに代表される半導体装置等の電子装置の放熱基板として、セラミック基板の一方の主面上に回路部材として銅板を接合し、他方の主面に放熱性の良好な放熱部材として銅板を接合して構成された放熱基板が広く用いられており、この銅板には、セラミック基板と反対側に熱をさらに拡散させるためのヒートシンク（不図示）が取り付けられる。

最近では、このような放熱基板におけるセラミック基板として特許文献１，２で示されているように電気絶縁性および熱伝導性に優れた窒化珪素基板が一般的に使用されるようになっている。

図７および図８は、それぞれ特許文献１、特許文献２で提案されている放熱基板を正面から見た部分断面図である。

図７に示す放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板６２と、窒化珪素基板６２の両主面上に活性金属層６３，６４を介して銅板６５，６６を接合してなる放熱基板６１であって、窒化珪素基板６２の上面には半導体素子６７を搭載した複数の銅板６５が直線上に形成され、窒化珪素基板６２の下面には前記複数の銅板６５と対峙可能な面積を有し、ヒートサイクルによる膨張、収縮を吸収するためのＶ字形の溝６８を備えた単一の銅板６６が配置されている。

図８に示す放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板６２と、窒化珪素基板６２の両主面上に活性金属層６３，６４を介して銅板６５，６６を接合してなる放熱基板６１であって、窒化珪素基板６２の両主面には、１直線上に無電解メッキ層６９，７０を被着形成した複数の銅板６５，６６が配置され、銅板６５には半導体素子６７が搭載されている。

これら特許文献１，２では窒化珪素基板６２に銅板６５，６６を接合する手法として活性金属法が用いられている。活性金属法は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４族元素のような活性を有する金属を含むＡｇ−Ｃｕロウ材で形成された活性金属層６３，６４を介して、銅板６５，６６を７８０〜９００℃に加熱して窒化珪素基板６２に接合する方法である。この活性金属法によれば、活性金属層６３，６４は銅（Ｃｕ）および銀（Ａｇ）により銅板６５，６６との接合強度を高められるとともに、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）成分により窒化珪素基板６２との接合強度も高められる。

活性金属法以外の接合方法では、直接接合法、高融点金属メタライズ法等があり、直接接合法とは、予め１０００℃以上に加熱して表面を酸化させた窒化珪素基板６２に、銅板６５、６６を接触配置して加熱し、銅板６５，６６が窒化珪素基板６２と接触する界面に、窒化珪素基板６２との濡れ性が高いＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を生成させた後、共晶液相を冷却固化させることにより、窒化珪素基板６２と銅板６５，６６とを直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ法）である。また、高融点金属メタライズ法は、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の高融点金属を窒化珪素基板６２の表面に１４００〜１６００℃で焼き付けて銅板６５，６６を一体的に形成する方法である。

また、特許文献１，２では、回路部材として作用する銅板６５の上方に半導体素子から発生する熱を効率よく銅板６５、窒化硅素基板６２，銅板６６に順次逃がすために、窒化珪素基板６２の主面上に一直線上に複数の銅板６５，銅板６６が配置されている。

また、銅板６５を用いた回路の形成方法は、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングして回路を形成した銅板を用いたり、接合後にエッチング、レーザー等によりパターニングする方法が知られている。これら活性金属法、直接接合法、高融点金属メタライズ法等により得られる放熱基板６１は、いずれも窒化珪素基板６２と銅板６５，６６との接合強度が高く、単純な構造を有するため、高実装化が可能であり、また製造工程も短縮できるといった効果が得られ、大電流型や高集積型の半導体素子に対応できるといった利点を有している。
特開平９−６９５９０号公報 特開２００１−１２７３８８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２で提案された放熱基板６１は、いずれも７８０℃以上の高温で加熱して窒化珪素基板６２に銅板６５，６６を接合しているため、接合時に熱応力が発生し、冷却の過程で放熱基板６１が反りやすいという問題を有していた。

しかも、銅板６５，６６を接合する際に用いられる活性金属法は、活性金属層６３，６４に含まれる銅（Ｃｕ）および銀（Ａｇ）により銅板６５，６６との接合強度を高められ、また活性金属層６３，６４に含まれるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）成分により窒化珪素基板６２との接合強度も高められるため、銅板６５，６６の枚数を少なくするためにも、銅板６５は窒化珪素基板６２の一方主面上に一直線上に配置されていた。その結果、半導体素子６７の個数が増えると、長手方向での反りが発生しやすいという問題を有していた。

特に、特許文献１の放熱基板６１では、その放熱特性を向上させるために銅板６６を単一にして面積を大きくしているため、銅板６５，６６の接合時の熱応力がより大きくなるため、反りも大きくなり、放熱特性の高い放熱基板６１を得ることができないという問題を有していた。さらに、近年、上述のような放熱基板６１を使用した半導体装置の高出力化に伴って半導体素子の高集積化は急速に進行し、放熱基板６１に繰り返し与えられる熱応力は増加する傾向にあるが、このような熱応力に対して十分な耐久性を備えた放熱基板とは言えなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためのものであって、反りが抑制されるとともに耐久性を備えた放熱基板を提供するものである。

本発明の放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板の両主面上に順次積層された活性金属層および銅を主成分とする結合層を複数有するとともに、各結合層上に配置された銅または銅合金を主成分とする銅板を備え、前記窒化珪素基板の一方主面上の銅板を回路部材、他方主面上の銅板を放熱部材として用いてなり、前記結合層の少なくとも一部は、前記回路部材を成す複数の銅板にわたって形成され、その厚みが前記回路部材配置
領域に比し前記回路部材間領域で薄いことを特徴とする。

また、本発明の電子装置は、本発明の放熱基板における前記回路部材を成す銅板上に電子部品を搭載したことを特徴とする。

本発明の放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板の両主面上に順次積層された活性金属層および銅を主成分とする結合層を複数有するとともに、各結合層上に配置された銅または銅合金を主成分とする銅板を備え、前記窒化珪素基板の一方主面上の銅板
を回路部材、他方主面上の銅板を放熱部材として用いることから、活性金属層で銅板を結合する場合に比べ、結合層を介して接合することで、結合層は接合工程における冷却時に変形して、発生する熱応力を緩和する。このように結合層には熱応力を緩和する作用があるため、銅板を厚くすることができ、放熱基板の放熱特性を高いものとすることができる。そして、前記結合層の少なくとも一部を前記回路部材を成す複数の銅板にわたって形成することにより、この結合層が配線として作用し、ワイヤーによる配線が不要となるため、配線を簡略化することができる。また、この結合層の厚みを回路部材配置領域に比し回路部材間領域で薄くすることで、放熱基板に発生する反りの向きを放熱部材側に凸になるように制御することができるので、放熱部材にヒートシンクを密着する場合の密着性を高めることができるため、放熱基板の放熱特性をさらに上げることができる。

また、本発明の電子装置は、本発明の放熱基板における前記回路部材を成す銅板上に半導体素子等の電子部品を搭載したことから、使用時に半導体素子等の電子部品に蓄熱することがなく、放熱性の高い電子装置とすることができる。

以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１は、放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板を平面視したときの下方底面図である。

この放熱基板１は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２と、窒化珪素基板２の両主面上に順次積層された活性金属層３１，３２および銅を主成分とする結合層５１，５２と、結合層５１，５２上に配置された銅または銅合金を主成分とする銅板４１，４２と、を有してなり、一方の銅板４１を回路部材として、他方の銅板４２を放熱部材として電子装置において半導体素子等の電子部品の放熱を促進するためのものである。

放熱基板１を構成する窒化珪素基板２は、窒化珪素質焼結体からなり、窒化珪素は熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高く、放熱特性に優れるものである。窒化珪素基板２は、図１に示すＢ方向の長さが３０〜８０ｍｍ、Ｃ方向の長さが１０〜８０ｍｍ程度であり、厚みは用途によって異なるが、厚すぎると熱抵抗が高くなり、薄すぎると耐久性が低下するため、０．１３〜０．４ｍｍとすることが適切である。このような窒化珪素基板２は、窒化珪素基板２の全質量を１００％とした場合、窒化珪素が少なくとも８０質量％以上含有してなり、その他の添加成分として、酸化エルビウム、酸化マグネシウム、酸化硅素、酸化モリブデン、酸化アルミニウム等が含まれているものである。機械的特性としては、３点曲げ強度が７５０ＭＰa以上、ヤング率が３００Ｇｐａ以上、ビッカース硬度（Ｈ
ｖ）が１３ＧＰａ以上、破壊靱性（Ｋ_１Ｃ）が５ＭＰａｍ^１／２以上であることが好ましく、放熱基板１とした際に長期間の使用に供することができ、機械的特性を上述の範囲とすることで信頼性、即ち耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させることができる。

なお、３点曲げ強度については、放熱基板１から活性金属層３１，３２、結合層５１，５２および銅板４１，４２をエッチングにより除去した後、ＪＩＳ Ｒ １６０１−１９９５に準拠して測定すればよい。但し、窒化珪素基板２の厚みが薄く、窒化珪素基板２より切り出した試験片の厚みを３ｍｍとすることができない場合、窒化珪素基板２の厚みをそのまま試験片の厚みとしてもよい。

また、ヤング率についても、放熱基板１から活性金属層３１，３２、結合層５１，５２および銅板４１，４２をエッチングにより除去した後、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。但し、窒化珪素基板２の厚みが薄く、窒化珪素基板２より切り出した試験片の厚みを４ｍｍとすることができない場合、窒化珪素基板２の厚みをそのまま試験片の厚みとしてもよい。

ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ_１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ Ｒ
１６１０−２００３，ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５に準拠して測定すればよい。

また、電気的特性としては体積固有抵抗が、常温で１０^１４Ω・ｃｍ以上、３００℃で１０^１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。

この窒化珪素基板２の両主面上に形成される活性金属層３１，３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４族元素のような活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ合金からなり、活性金属層３１のＡ−Ａ線における１個当たりのＢ方向の長さは例えば１２．４〜２４．４ｍｍ、Ｃ方向の長さは１６．４〜２０．４ｍｍ、厚みは１０〜２０μｍである。また、活性金属層３２のＡ−Ａ線における１個当たりのＢ方向の長さは例えば１２．４〜２２．４ｍｍ、Ｃ方向の長さは１６．４〜２４．４ｍｍ、厚みは１０〜２０μｍ程度である。

活性金属層３１，３２および銅板４１，４２との間に備えられた結合層５１，５２は、銅を主成分とし、結合層５１，５２の主成分である銅または銅合金の拡散作用により３００〜５００℃の低温でその上面に接合される銅板４１，４２を強固に接合することができる。また、結合層５１，５２は変形しやすいため、小さい荷重で接合することができ、また、冷却時に発生する熱応力も結合層５１，５２の変形で緩和することができるため、より厚みの大きな銅板４１，４２を接合しても反りが発生することなく、放熱特性に優れた放熱基板１を得ることができ、ヒートシンクの取り付けも不要にすることができるからである。

また、結合層５１，５２は、銅を主成分とし、結合層５１，５２に対して主成分である銅が９０質量％以上含有すればよい。活性金属層３１，３２と銅板４１，４２とを強固に結合する機能を成し、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。

結合層５１，５２上に形成される銅板４１，４２は、前記窒化珪素基板２の一方主面上に配置された銅板４１を回路部材として、且つ他方主面上に配置された銅板４２を放熱部材として用いるものであり、半導体素子の回路部材として機能させることで、半導体装置の放熱基板として作用する。

回路部材として作用する銅板４１は、１個当たりのＢ方向の長さは１０〜１７ｍｍ、Ｃ方向の長さは１０〜２０ｍｍ、厚みは回路を流れる電流の大きさや銅板４１に搭載される半導体素子の発熱量等に応じて０．５〜５ｍｍが選択される。また、銅板４２は発熱した半導体素子により発生した熱を逃がす、放熱作用を促進する放熱部材として作用し、１個当たりのＢ方向の長さは１０〜１７ｍｍ、Ｃ方向の長さは１０〜２０ｍｍ、厚みは０．５〜５ｍｍである。

銅板４１，４２は、銅または銅合金を主成分とし、銅板４１，４２に対して銅または銅合金が９９．９６質量％以上であるものである。無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。

また、銅板４１，４２は、複数行、複数列の行列状に配置してもよい。このように行列状に配置することで、窒化珪素基板２の形状を正方形、あるいは正方形に近い長方形にすることができるため、放熱基板１の反りを抑制することができる。

ここで、放熱基板の反りについて図２を用いて説明する。放熱基板の反りは実質的に窒化珪素基板の反りで示すことができる。体積が等しい銅板を窒化珪素基板２の両主面状に１行で複数列あるいは複数行で１列に配置した放熱基板１に比べ、銅板４１，４２を複数行、複数列の行列状に配置した放熱基板１は、窒化珪素基板２の長手方向の長さを短くすることができるため、反りの曲率半径（Ｒ）が同じである場合、窒化珪素基板２に発生する反り（Ｌ_１）を小さくすることができる。

また、回路部材を成す銅板４１は、放熱部材を成す銅板４２より体積が大きいことが好ましい。これは、銅板４１，４２間の体積差により放熱基板１に発生する反りの向きを制御することができるためであり、銅板４１は銅板４２よりその単位個数当たりの体積を大きくすることで、銅板４２側に比較して銅板４１側の剛性が高くなるため、放熱基板１に発生する反りの向きを銅板４２側に凸になるように制御することができ、放熱部材をなす銅板４２とヒートシンク（不図示）との密着性を上げられるため、放熱基板１の放熱特性をさらに上げることができる。特に、両主面に形成する銅板４１，４２の個数が同一で両主面の銅板４１，４２が対応する位置に形成してある場合、単位個数当たりの体積差は２０ｍｍ^３以上であることがより好ましい。

さらに、回路部材を成す銅板４１は、放熱部材を成す銅板４２より硬度が高いことが好ましい。銅板４１，４２間の硬度差により放熱基板１に発生する反りの向きを制御することができ、銅板４１は、銅板４２よりその硬度を高くすることで、銅板４１の剛性が高くなるため、放熱基板１に発生する反りの向きを銅板４２側に凸になるように制御することができ、放熱部材とヒートシンク（不図示）との密着性を上げられるため、放熱基板１の放熱特性をさらに上げることができる。特に、銅板４１および銅板４２のビッカース硬度（Ｈｖ）は、それぞれ０．７〜１．２ＧＰａ、０．５〜１．０ＧＰａ、その硬度差を０．２ＧＰａ以上とすることが好適である。

なお、銅板４１および銅板４２の体積は、３次元形状測定器、あるいは倍率を２〜１０倍に設定して金属顕微鏡、画像計測器等を用いて測定でき、銅板４１および銅板４２のビッカース硬度（Ｈｖ）は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４−２００３に準拠して測定すればよく、
測定に用いる試験荷重は、銅板４１，４２の厚みに依存し、例えば１９６ｍＮ（ミリニュートン）とする。

次いで、銅板４１，４２について種々の形態について図３乃至図５を用いて説明する。なお、図面における各符号は図１と同様な部材には同一の符号を用いている。

図３（ａ）は一方主面に配置された銅板４１を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板４２を平面視したときの下方底面図である。

図３に示す放熱基板１は、窒化珪素基板２の両主面に接合される銅板４１，４２が３行３列に配置されてなる放熱基板である。このように両主面に接合される銅板が複数の奇数行、複数の奇数列の行列状に配置されたものであり、四角形状の窒化珪素基板２の４つの角部を結ぶ２本の対角線の交点上に銅板４１，４２を構成する両主面上に各１枚の銅板４１ｃ，４２ｃが存在し、この銅板４１ｃ，４２ｃが接合工程で発生する放熱基板１の変形を拘束できるため、放熱基板１の反りを十分に抑制することができる。

図４（ａ）は一方主面に配置された銅板４１を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板４２を平面視したときの下方底面図である。

図４に示す放熱基板１は、結合層５１が部分的に前記回路部材を成す複数の銅板４１にわたって形成されており、結合層５１が複数の銅板４１を接続する配線として作用するためワイヤーによる配線が不要となるため、配線が簡略化される。

図５は本発明の放熱基体の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板４１を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板４２を平面視したときの下方底面図、（ｄ）は同図（ｂ）のＤ部拡大図である。図５に示す本発明の放熱基板１は、図４と同様に結合層５１が部分的に前記回路部材を成す複数の銅板４１にわたって形成されており、その厚みが前記回路部材を成す銅板４１が配置された領域、即ち回路部材配置領域（ｅ）に比し、前記回路部材を成す銅板４１の間の領域、即ち回路部材間領域（ｆ）で薄くしたものである。

これにより、放熱基板１に発生する反りの向きを放熱部材を成す銅板４２側に凸になるように制御することができ、より放熱基板１の放熱特性を上げることができる。特に、結合層５１は回路部材配置領域（ｅ）、回路部材間領域（ｆ）間の厚みの差を２００μｍ以上にすることがより好ましい。

また、結合層５１，５２の硬度は、銅板４１，４２との接合強度に影響を与える。結合層５１，５２の硬度が高過ぎると、銅板４１，４２との接合強度を十分高くすることができなくなる。結合層５１，５２のビッカース硬度（Ｈｖ）は、０．５ＧＰａ以下であることが好ましく、ビッカース硬度（Ｈｖ）をこの範囲とすることで、結合層５１，５２は容易に弾性変形して、銅板４１，４２との接合強度を高くすることができる。特に、ビッカース硬度（Ｈｖ）は０．２〜０．５ＧＰａであることがより好ましい。

なお、結合層５１，５２のビッカース硬度（Ｈｖ）は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４−２００３に準拠して測定すればよく、測定に用いる試験荷重は、結合層５１，５２の厚みに依存し、例えば９８ｍＮ（ミリニュートン）あるいは１９６ｍＮとする。

また、窒化珪素基板２の両主面は、いずれもそのスキューネス（Ｒｓｋ）が０より大きく、且つ０．２以下であることが好適である。

図６は、スキューネスを説明するために表面粗さ曲線（ｇ）と振幅分布曲線（ｈ）を模式的に示した図である。スキューネス（Ｒｓｋ）とは表面粗さのパラメータの１種であり、振幅分布曲線（ｈ）の上下方向へのかたよりの程度を示すもので次式により与えられる値である。

n：表面粗さ曲線（ｇ）上の縦座標の数
Ｒｑ：自乗平均粗さ（測定長さ内における平均線からの全ての振れの自乗平均の平方根）ｙｉ：縦座標の高さ
すなわち、図６（ａ）に示すように、振幅分布曲線（ｈ）が表面粗さの上下方向でほぼ均等の場合、スキューネス（Ｒｓｋ）は零（０）となる。

一方、図６（ｂ）に示すように、振幅分布曲線（ｈ）が上方向に偏っている場合、スキューネス（Ｒｓｋ）は正（＞０）となる。このような状態は主面に凸の部分が多いことを示している。そして、図６（ｃ）に示すように主面に凸の部分を減少させ、振幅分布曲線（ｈ）が下方向に偏った場合、スキューネス（Ｒｓｋ）は負（＜０）となる。

窒化珪素基板２の両主面は、いずれもそのスキューネス（Ｒｓｋ）が０より大きく０．２以下であることが好適で、この範囲では活性金属を塗布した場合、アンカー効果が高くなり、窒化珪素基板２と活性金属層３１，３２との接合強度を高くすることができる。

なお、スキューネス（Ｒｓｋ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１―２００１に準拠して求めることができる。

次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。

本発明の放熱基板１は、先ず、長さ３０〜８０ｍｍ、幅１０〜８０ｍｍ、厚み０．１３〜０．４ｍｍの窒化珪素基板２の両主面上に、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４族元素のような活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷、ロールコーター法、刷毛塗り等で塗布し、このペースト上に銅が主成分であって、厚みが０．１〜０．６μｍである銅箔を積層した後、８００〜９００℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および銅を主成分とする結合層５１，５２を形成する。

次に、結合層５１，５２の銅板４１，４２と接する面を研磨した後、水素、窒素およびネオン、アルゴン等の不活性ガスのいずれかから選ばれる雰囲気中、３００〜５００℃に加熱し、３０ＭＰａ以上の圧力で、結合層５１，５２と接合する面が平坦な銅板４１，４２をたとえば３行２列や３行３列の行列状に配置、接合して放熱基板１を得る。そして、銅や銅合金が酸化しない温度（５０℃）まで加圧したまま冷却し、この温度に到達した後、加圧を終了し、放熱基板１を取り出す。

なお、銅板４１が銅板４２より体積が大きい放熱基板１を得る場合、両主面に形成する銅板４１，４２の個数が同じであれば予め銅板４２よりその単位個数当たりの体積が大きい銅板４１を準備し、上述に示した方法で作製すればよく、例えば、一方主面に設ける銅板４１の各体積を種々変更してもよい。

また、銅板４１，４２は、その硬度を銅板中に添加される不純物の比率で制御することができ、その比率を高くすると、硬度が高くなり、比率を低くすると、硬度が低くなる。

銅板４１が銅板４２よりその硬度が高い放熱基板１を得る場合、予め不純物の比率が高い銅板４１を準備し、上述に示した方法で作製すればよい。

また、結合層５１を複数の回路部材を成す銅板４１にわたって形成し、且つ、その厚みが回路部材配置領域（ｅ）に比し回路部材間領域（ｆ）で薄くするには、上述に示した方法で作製した後、回路部材間領域（ｆ）の結合層５１以外の部分にマスキングを施し、エッチング、レーザー等を用いて、回路部材間領域（ｆ）の結合層５１を薄くなるように加工し、その後マスキングを除去して、放熱基板１を得ることができる。

上述の図１，図３〜図５で示したような放熱基板１は、銅板４１を回路が形成された回路部材とすることで放熱基板として好適に用いることができる。具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングして回路を形成した銅板を用いたり、接合後にエッチング、レーザー等によりパターニングしたりすればよい。

以上のことから、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法等で接合した場合より、接合時に銅板４１，４２に生じる反りが小さくなるので、銅板の厚みを大きくすることができる。銅板４１，４２の厚みの大きな放熱基板１は、放熱特性を高くすることができ、場合によってはヒートシンクの取り付けも不要にすることができる。

また、前記放熱基板１における回路部材を成す銅板４１上に半導体素子等の電子部品を搭載することで、半導体装置等の電子装置を使用しているときにも電子部品に蓄熱することを有効に防止できる。

以上、本発明の放熱基板１は、上述の通り放熱特性が良好であるため、昇華型サーマルプリンターヘッド用基板、面型発熱ヒーター支持基板、サーマルインクジェットプリンターヘッドのヒーター支持基板等にも適用させることができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

各放熱基板試料を得るため、先ず、窒化珪素を８４質量％含有する窒化珪素質焼結体から成る表１に示す大きさの窒化珪素基板の両主面に、活性金属層となるチタン（Ｔｉ）を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷で塗布し、このペースト上に結合層となる無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱溶融して、活性金属層および無酸素銅からなる結合層を形成した。そして、結合層の銅板と接する面をラップ盤を用いて算術平均高さＲａ０．０５０μｍ以下まで研磨した後、水素雰囲気中にて加熱し、圧力３０ＭＰａで結合層と接合する面が平坦な銅板を配置し、接合することにより放熱基板である試料Ｎｏ．１〜２２を作製した。

なお、銅板の個数、配置状態、体積、硬度、厚みは、それぞれ表１〜表５に示すものである。

（参考例１）
ここでは、銅板をそれぞれ表１に示す如く行列状に配置して接合することにより放熱基板である試料Ｎｏ．１〜３を作製した。

次に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板のＢ方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表１に示した。なお、Ｂ方向の測定長さ、Ｃ方向の測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ４５ｍｍ，４５ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

表１からわかるように、２行×２列の複数の行列状に配置した本発明の試料Ｎｏ．２は、窒化珪素基板の主面形状が試料Ｎｏ１，３の前記形状に比べ、より正方形に近い長方形であったため、両主面の銅板ともＢ方向における反りを小さくすることができた。

一方、複数の行列状に配置していない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１，３は、窒化珪素基板の主面の形状がＢ方向に特に長い長方形であり、しかも両銅板とも１列の配置であるため、Ｂ方向における反りが大きかった。

（参考例２）
ここでは、両主面の銅板をそれぞれ表２に示す行列状に配置して接合することにより放熱基板である試料Ｎｏ．４，５を作製した。

次に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板のＢ方向およびＣ方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表２に示した。なお、Ｂ方向の測定長さ、Ｃ方向の測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ７０ｍｍ，４５ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

表２からわかるように、両主面の銅板は複数の奇数行、複数の奇数列状に配置された試料Ｎｏ．５は、銅板が複数の奇数行、複数の偶数列状に配置された試料Ｎｏ．４に比べ、Ｃ方向における反りを２０μｍ小さくできることがわかった。

（実施例１）
ここでは、両主面に銅板を３行×２列の複数の行列状に配置して放熱基板である試料Ｎｏ．６〜１２を作製した。この試料Ｎｏ．６〜１２は図１に示す放熱基板と同様な形態であり、各銅板は両主面に対峙する位置に配置したため、銅板の体積は単位個数当たりの体積にて測定し、表３に示す通りとした。

次に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板２のＢ方向およびＣ方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表３に示した。なお、Ｂ方向の測定長さ、Ｃ方向の測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ６０ｍｍ，４０ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

表３からわかるように、一方主面の銅板が他方主面の銅板より単位個数当たりの体積が大きい試料Ｎｏ．９〜１２は、一方主面の銅板が他方主面の銅板よりその単位個数当たりの体積が小さい、また等しい試料Ｎｏ．６〜８より、Ｂ方向、Ｃ方向とも反りが小さくできることがわかった。

特に、両主面の銅板間の単位個数当たりの体積差が２０ｍｍ^３以上の試料Ｎｏ．１０〜１２は、体積差が２０ｍｍ^３未満の試料Ｎｏ．９に比べ、Ｂ方向、Ｃ方向とも反りはより小さくできることがわかった。

（実施例２）
ここでは、両主面に銅板を３行×２列の複数の行列状に配置して接合することにより放熱基板である試料Ｎｏ．１３〜１８を作製した。この試料Ｎｏ．１３〜１８は図１に示す放熱基板と同様な形態であり、各銅板のビッカース硬度は表４に示す通りとした。

ここで、銅板の各硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４−２００３に準拠し、試験荷重を１９６ｍＮ（ミリニュートン）としたときの値である。

次に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板２のＢ方向およびＣ方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表４に示した。なお、Ｂ方向の測定長さ、Ｃ方向の測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ６０ｍｍ，４０ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

表４からわかるように、一方主面の銅板が他方主面の銅板よりその硬度が高い試料Ｎｏ．１６〜１８は、一方主面の銅板が他方主面の銅板よりその硬度が低い、または等しい試料Ｎｏ．１３〜１５より、Ｂ方向、Ｃ方向とも反りは小さくできることがわかった。

特に、両主面の銅板間の硬度差が０．２ＧＰａ以上の試料Ｎｏ．１７，１８は、硬度差が０．２ＧＰａ未満の試料Ｎｏ．１６に比べ、Ｂ方向、Ｃ方向とも反りはより小さくできることかわかった。

（実施例３）
ここでは、両主面の銅板を３行×２列の複数の行列状に配置して接合することにより放熱基板である試料Ｎｏ．１９〜２２を作製した。試料Ｎｏ．１９は、図４に示す放熱基板、試料Ｎｏ．２０〜２２は、図５に示す放熱基板と同様な形態である。

次に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板２のＢ方向およびＣ方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表５に示した。なお、Ｂ方向の測定長さ、Ｃ方向の測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ６０ｍｍ，４０ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

表５からわかるように、回路部材配置領域（ｅ）、回路部材間領域（ｆ）間の厚みの差が２００μｍ以上である試料Ｎｏ．２０〜２２は、厚みの差が２００μｍ未満である試料Nｏ．１９，２０より、Ｂ方向における反りが小さくすることができた。特に、回路部材配置領域（ｅ）、回路部材間領域（ｆ）間の厚みの差が２００μｍ以上である試料Ｎｏ．２１，２２は、Ｂ方向における反りがさらに小さくすることができることがわかった。

放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板を平面視したときの下方底面図である。 放熱基板を構成する窒化珪素基板の反りを模式的に示した図である。 放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板を平面視したときの下方底面図である。 放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板を平面視したときの下方底面図である。 本発明の放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方主面に配置された銅板を平面視したときの上方平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は他方主面の銅板を平面視したときの下方底面図、（ｄ）は同図（ｂ）のＤ部拡大図である。 スキューネスを説明するために表面粗さ曲線（ｇ）と振幅分布曲線（ｈ）を模式的に示した図である。 従来の放熱基板の断面図である。 従来の放熱基板の断面図である。

符号の説明

１：放熱基板
２：窒化珪素基板
３１，３２：活性金属層
４１，４２：銅板
５１，５２：結合層

Claims (6)

1. 窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板の両主面上に順次積層された活性金属層および銅を主成分とする結合層を複数有するとともに、各結合層上に配置された銅または銅合金を主成分とする銅板を備え、前記窒化珪素基板の一方主面上の銅板を回路部材、他方主面上の銅板を放熱部材として用いてなり、前記結合層の少なくとも一部は、前記回路部材を成す複数の銅板にわたって形成され、その厚みが回路部材配置領域に比し回路部材間領域で薄いことを特徴とする放熱基板。
2. 前記結合層の厚みが前記回路部材配置領域に比し前記回路部材間領域で２００μｍ以上薄いことを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記回路部材を成す銅板は、前記放熱部材を成す銅板より体積が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の放熱基板。
4. 前記回路部材を成す銅板は、前記放熱部材を成す銅板より硬度が高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱基板。
5. 前記窒化珪素基板は、その３点曲げ強度が７５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放熱基板。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の放熱基板における前記回路部材を成す銅板上に電子部品を搭載したことを特徴とする電子装置。

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