JP5202333B2 - 放熱基板およびこれを用いた電子装置 - Google Patents

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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およびサーマルインクジェットプリンターヘッド素子等の電子部品が搭載される放熱基板に関する。さらに、上記電子部品を搭載した電子装置に関する。
パワートランジスタモジュールおよびスイッチング電源モジュール等の電子装置に使用される放熱基板が知られている。一般的な放熱基板は、セラミック基板の第一の主面上に回路部材としての銅板を接合し、第一の主面と反対側の第二の主面に放熱性の良好な放熱部材としての銅板を接合して構成されている。銅板はセラミック基板に活性金属層を介して接合される場合がある。また、放熱部材である銅板には、熱をさらに拡散させるためのヒートシンクが取り付けられる場合がある。
このような技術は、例えば、特許文献１，２に開示されている。
特開平９−６９５９０号公報 特開２００６−２４５４３７号公報
放熱基板において加熱と放熱とが繰り返されても、反りおよびクラックが生じにくいことが望まれている。
本発明の第一の観点によれば、放熱基板は、セラミック基板と、金属層と、１以上の放熱部材とを有する。金属層は、セラミック基板の表面に設けられている。放熱部材は、金属層側に面する第一表面と、第一表面の反対側にある第二表面とを具備し、第一表面の面域全体を金属層に当接させて接合されてなる。そして、放熱部材側に面する金属層の表面
の面積が、第一表面の面積より大きく、かつ第二表面の面積より小さいことを特徴とする。
本発明のさらに他の観点によれば、電子装置は、上記放熱基板の上に電子部品を搭載する。
本発明によれば、放熱部材側に面する金属層の表面である面Ｂの面積が、放熱部材が具備する金属層側に面する第一表面である面Ａの面積より大きく、かつ面Ａの反対側にある第２表面である面Ａ’の面積より小さいため、両者（金属層および放熱部材）の間に空間が存在する。放熱基板において加熱と放熱とが繰り返されても、上記空間の存在および放熱部材自体の変形により、発生する熱応力を効率的に分散させることができる。その結果、放熱部材およびセラミック基板の各熱膨張係数の差に起因して発生する残留応力も小さくなるため、セラミック基板のクラックの発生を低減させることができる。そして、面Ａの他方主面である面Ａ’の面積が面Ｂの面積より大きいため、放熱部材が設けた側の反対側のセラミック基板に回路部材を設けた放熱基板の場合、回路部材側で発生した熱は面Ａ’に向かって拡散しやすい。
また、本発明によれば、放熱基板の上に電子部品を搭載したことから、電子部品に蓄熱することが抑制され、放熱特性の高いパワーモジュール等の電子装置を提供できる。
本発明の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＩＢ−ＩＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 図１で用いられた放熱部材を示す斜視図である。 本実施形態にかかる放熱基板に用いられる他の放熱部材を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本実施形態にかかる放熱基板に用いられるさらに他の放熱部材を示す断面図である。 本実施形態にかかる放熱基板に用いられるさらに他の放熱部材を示す断面図である。 本実施形態にかかる放熱基板に用いられるさらに他の放熱部材を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 放熱基板の反りを説明するための図であり、（ａ）は放熱部材が複数行、複数列の行列状に配置された放熱基板の回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線における断面での反りを模式的に示す模式図、（ｃ）は放熱部材が１行、複数列の行列状に配置された放熱基板の回路部材側より平面視したときの平面図、（ｄ）は同図（ｃ）のＣ−Ｃ線における断面での反りを模式的に示す模式図である。 放熱基板における金属層と放熱部材との配置関係を説明するための図であり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 図９において、金属層の中心と放熱部材の中心とが一致した場合の状態を示すものであり、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 図９において、金属層の中心と、放熱部材の中心とが不一致の場合の状態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 本発明のさらに他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸIIＢ−ＸIIＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 本発明のさらに他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸIIIＢ−ＸIIIＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 本発明のさらに他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸIＶＢ−ＸIＶＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 本発明のさらに他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸＶＢ−ＸＶＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図である。 本発明の他の実施形態にかかる放熱基板を示す図であり、（ａ）は回路部材側より平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＸＶIＢ−ＸＶIＢ線における断面図、（ｃ）は放熱部材側より平面視したときの底面図、（ｄ）は同図（ｂ）のＥ部拡大図である。
符号の説明
１：放熱基板
２：セラミック基板
３１，３２：活性金属層
４１：回路部材
４２：放熱部材
５１，５２：結合層
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態の放熱基板１は、少なくともセラミック基板２と、金属層２２と、１以上の放熱部材４２とを有する。図１において、セラミック基板２の第一の主面である第一基板主面２ａに回路部材４１が設けられている。セラミック基板２の第二の主面である第二基板主面２ｂに金属層２２が設けられている。放熱部材４２は、第一表面Ａ（以下、面Ａとも記載する。）と、第一表面Ａの反対側にある第二表面Ａ’ （以下、面Ａ’とも記載する。）とを具備する。第一表面Ａは金属層２２と当
接している。
セラミック基板２の第一基板主面２ａには、金属層２１が設けられ、金属層２１の上に回路部材４１が設けられている。金属層２１は金属層２２と同様の構造および特性を有することが望ましい。以下、金属層２２について説明するが、金属層２１についても同様のものとすることができる。
金属層２２は、セラミック基板２からの熱を放熱部材４２に伝える伝熱部材として機能する。金属層２２は、１層に限定されない。例えば、図１に示したように、第一金属層３２と第二金属層５２とを有する。例えば、第一金属層３２を活性金属層とし、第二金属層５２を結合層としてもよい。すなわち、２層にすることによって、セラミック基板２と放熱部材４２との接合強度を高めることができる。また、金属層２１についても、図１に示したように、第一金属層３１と第二金属層５１とを有する。
セラミック基板２は、窒化珪素、窒化アルミウムまたはアルミナを主成分（５０質量％以上）とすることができる。特に、窒化珪素を主成分とすることにより放熱特性および機械的強度等を良好にすることができる。なお、窒化珪素の熱伝導率は４０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上である。具体的には、セラミック基板２は、セラミック基板２の全質量を１００質量％とした場合、窒化珪素を少なくとも８０質量％以上含有してなることが好適である。また、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、酸化珪素、酸化モリブデンおよび酸化アルミニウム等のうち１種以上が含まれている。第一金属層３２は活性金属を含む。第二金属層５２は銅を主成分とする。
セラミック基板２の両主面２ａ，２ｂのスキューネス（Ｒｓｋ）を０より大きく０．２以下とすることにより、セラミック基板２の両主面２ａ，２ｂに設ける活性金属層３１，３２を良好に接合させることが可能となる。なお、スキューネスはＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠して求めることができる。
セラミック基板２は、３点曲げ強度が６５０ＭＰa以上、ヤング率が３００ＧＰａ以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１３ＧＰａ以上、破壊靱性（Ｋ１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上の機械的特性を有することが好ましい。機械的特性を上述の範囲とすることで、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。
３点曲げ強度は、放熱基板１から第一金属層（以下、活性金属層という。）３１，３２、第二金属層（以下、結合層という。）５１，５２，回路部材４１および放熱部材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、セラミック基板２の厚みが薄く、セラミック基板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、セラミック基板２の厚みをそのまま試験片の厚みとしてもよい。
ヤング率は、放熱基板１から活性金属層３１，３２、結合層５１，５２、回路部材４１および放熱部材４２をエッチングにより除去した後、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５に準拠して測定すればよい。
ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ Ｒ １６１０−２００３，ＪＩＳ Ｒ １６０７−１９９５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。
セラミック基板２の電気的特性としては体積固有抵抗が、常温で１０１４Ω・ｃｍ以上、３００℃で１０１２Ω・ｃｍ以上の絶縁基板であることが好ましい。
金属層２１、２２または結合層５１，５２のビッカース硬度Ｈｖは０．５ＧＰａ以下がよい。回路部材４１および放熱部材４２の接合時における変形が生じやすいので、厚い回路部材４１および放熱部材４２の接合を良好に行わせることができる。
また、回路部材４１は放熱部材４２より硬度を高くすることにより、放熱部材４２に比較して回路部材４１は剛性が高くなるため、放熱基板１の反りを低減することができる。
回路部材および／または放熱部材が、銅または銅合金を主成分とするとよい。
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）およびバナジウム（Ｖ）などの４族元素または５族元素である活性金属元素を１種以上含むＡｇ−Ｃｕ合金からなる。
活性金属層３１，３２のそれぞれの上に積層された結合層５１，５２は、活性金属層３１，３２と回路部材４１，放熱部材４２とをそれぞれ強固に結合する作用をなす。結合層５１，５２は、銅を主成分としており、結合層５１，５２、回路部材４１および放熱部材４２中の銅または銅合金の拡散作用により３００〜５００℃の低温でその上面および下面にそれぞれ接合される回路部材４１，放熱部材４２を強固に接合することができる。結合層５１，５２は主成分が降伏応力の低い銅であり、しかもその厚みが薄いため、変形しやすいことから、小さい荷重で接合することができる。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、より厚みの大きな回路部材４１，放熱部材４２を接合しても反りが発生しにくい。
結合層５１，５２のそれぞれに対して主成分である銅は９９．９６質量％以上含有するとよく、無酸素銅、タフピッチ銅およびりん脱酸銅等の銅を１種以上用いることができる。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５質量％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。
回路部材４１および放熱部材４２は、銅または銅合金を主成分（Ｃｕを７２質量％以上）とする。回路部材４１および放熱部材４２のそれぞれに対して銅または銅合金が９０．０質量％以上含有するとよく、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等の銅を用いることができる。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５質量％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。
セラミック基板２の形状は、例えば、図１に示すＸ−Ｙ直交座標系におけるＸ方向（長手方向）の長さが３０〜８０ｍｍ、Ｙ方向（短手方向）の長さが１０〜８０ｍｍ程度である。厚みは用途によって異なるが、熱抵抗および耐久性を考慮して０．１３〜０．４ｍｍ程度とする。活性金属層３１のＩＢ−ＩＢ線における１個当たりのＸ方向の長さは例えば１２．４〜２４．４ｍｍ、Ｙ方向の長さは１６．４〜２０．４ｍｍ、厚みは１０〜２０μｍとする。また、活性金属層３２のＩＢ−ＩＢ線における１個当たりのＸ方向の長さは例えば１２．４〜２２．４ｍｍ、Ｙ方向の長さは１６．４〜２４．４ｍｍ、厚みは１０〜２０μｍ程度とする。
結合層５２と放熱部材４２との間に中間層を設けてもよい。中間層としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかの金属元素を主成分とすることができ、中間層における主成分とは、中間層に対して９０質量％以上であることをいう。中間層の厚さを１０ｎｍ以下とすることができる。また、中間層を２層以上としてもよい。例えば、結合層５１，５２の上に第１薄層を設け、第１薄層の上に第２薄層を設けることができる。第１薄層および第２薄層は上記の金属で構成することができる。また、第１薄層および第２薄層の厚さをそれぞれ１０ｎｍ以下とすることができる。これにより、結合層５２と放熱部材４２との接合を低温で行わせることが可能となる。第１薄層と第２薄層とを同一金属からなるものとしてもよい。特に、第１薄層と第２薄層とをＳｎを主成分として構成する場合は、１８０〜３００℃程度の低温での接合が可能となる。第１薄層と第２薄層との界面となる第１薄層の表面は算術平均高さＲａが０．２μｍ以下であるとよい。これにより、第１薄層と第２薄層とを良好に接合でき、放熱基板１の反りを低減することができる。なお、中間層は結合層５１と回路部材４１との間に設けても同様の効果が得られる。
回路部材４１の長手方向であるＸ方向の長さおよび短手方向であるＹ方向の長さは、回路部材４１側の結合層５１のＸ方向長さおよびＹ方向長さのそれぞれ８０％以上１００％未満であるとよい。例えば、１個当たりのＸ方向の長さが１０〜１７ｍｍ、Ｙ方向の長さが１０〜２０ｍｍ、厚みは回路を流れる電流の大きさや回路部材４１に搭載される半導体素子等の電子部品の発熱量に応じて０．５〜５ｍｍの間で適宜選択される。結合層５２側の放熱部材４２の面ＡのＸ方向長さおよびＹ方向長さは、結合層５２のＸ方向長さおよびＹ方向長さのそれぞれ８０％以上１００％未満であるとよい。面Ａの反対側の面Ａ’は面Ａより大きい。回路部材４１は、回路部材４１上に搭載される半導体素子等の電子部品を電気的に接続する回路を成すものであり、放熱部材４２は、この電子部品より発生した熱を外部へ逃がすための放熱作用を促進する部材である。
回路部材４１上に搭載された半導体素子等の電子部品は作動すると、この電子部品の温度は５０〜７０℃程度に上昇する。放熱部材４２の面Ａの面積が結合層５２の面Ｂの面積より小さいことから、結合層５２の面Ｂと放熱部材４２の面Ａとの境界部分に空間が存在し、放熱部材４２は変形しやすくなる。半導体素子等の電子部品の加熱・放熱が繰り返えされても、上記空間の存在および放熱部材４２自体の変形により発生する熱応力を効率的に分散させることができる。このため、放熱部材４２およびセラミック基板２の各熱膨張係数の差に起因して発生する残留応力も小さくすることができる。その結果、セラミック基板２には残留応力によるクラックの発生が低減する。回路部材４１上に搭載された半導体素子等の電子部品から発生した熱は放熱部材４２の下面に設けられるヒートシンク（不図示）に向かって放熱し、このときの熱の伝導，伝達は図１（ｂ）の線Ｄに表されるように拡散する。即ち、熱は回路部材４１の主面から前記面Ａ’の端部に向かって伝達する。前記面Ａ’の面積が前記面Ｂの面積より大きいため、電子部品で発生した熱を効率よく面Ａ’側に逃がすことができるので、放熱部材４２の放熱特性を向上させることができる。
放熱部材４２の長手方向の長さは、面Ａから面Ａ’に向かって段階的に増加、または漸増することが好ましい。放熱部材４２の長手方向の長さは、例えば図１（ｂ）に示す放熱基板１の主面に対して垂直方向から断面視して確認することができる。図１（ｂ）に示すように、放熱部材４２の長手方向の長さＬが面Ａから面Ａ’に向かって段階的に増加すると、金属層２２と放熱部材４２との間に外気と連通する空間が存在することになる。また、放熱部材４２の金属層２２と当接している面以外である開放面の表面積を大きくするこ
とができるため、回路部材４１上に搭載された半導体素子等の電子部品から発生した熱は逃げやすくなる。さらに、この熱は各部材へ線Ｄに沿って伝達するようになるため、より効率的に熱を逃がすことができる。
図２に示すように、放熱部材４２は、面Ａに切欠き部Ｃが設けられていることが好ましい。このように、面Ａの縁端部において厚み方向に切欠いた段部を備えることが好ましい。これにより、金属層２２と放熱部材４２との間に空間６２（図１を参照）が形成されることとなる。この空間６２（図１を参照）が外気と連通しているので、放熱部材４２の放熱性を高めることができる。
放熱部材４２の段部は、回路部材４１上に搭載される電子部品の種類、放熱基板１の形状および寸法等によって面Ａから厚み方向に切欠くことで形成すればよい。
図３〜５に、本発明の実施形態にかかる放熱基板に用いられる他の放熱部材４２を示した。図３の放熱部材４２の形状は四角錘台であり、面Ａと面Ａ’とをつなぐ斜面が平面を形成している。換言すれば、図３（ｂ）において面Ａと面Ａ’とが直線で結ばれている。
図４および図５の放熱部材４２の形状も四角錘台であるが、斜面がそれぞれ凸状または凹状になっている点で図３の放熱部材４２の斜面と異なっている。図３〜５に示したように、放熱部材４２の長手方向の長さＬが面Ａから、面Ａ’に向かって漸増することが好ましい。
放熱部材４２の開放面の表面積を大きくすることができるため、回路部材４１上に搭載された半導体素子等の電子部品から発生した熱は開放面より逃げやすくなる。さらに、この熱は各部材へ線Ｄに沿って伝達するようになるため、より効率的に熱を逃がすことができる。
図６は、面Ａ’から面Ａにかけて垂直な部分と傾斜させた部分とに形成されており、下部が直法体に上部が図３と同様の四角錐台となっている。すなわち、直方体の上に四角錘台が設けられた形状をしている。このような形状であっても、図２〜５に示した形状と同様の効果が得られる。
なお、ここでいう長さＬが段階的に増加するとは、±１０％以下の範囲内で変化することが好適であり、±３％以下の範囲内で変化することがより好ましい。
図１に示したように、半導体素子等の電子部品から発生した熱は、図２に示した放熱部材４２と同様に、図３〜６に示した放熱部材４２に対しても、線Ｄのように、電子部品の搭載された放熱基板１の上面から面Ａ’に向かうにしたがって放熱部材４２側へ伝わる。線Ｄに沿うように放熱部材４２の少なくとも１部を面Ａから面Ａ’に向かって傾斜面となる角錐台形状とすることで、熱が途中で遮られることなく放熱部材４２の傾斜面と略平行に伝わるため、放熱特性をさらに向上させることができる。そのうえ、打ち抜き加工等の安価な方法で放熱部材４２を作製できるため、放熱基板１を安価に提供することができる。この場合、角錐台形状の傾斜面は線Ｄにできる限り平行となるように、搭載される電子部品の種類、放熱基板１の形状および寸法等によって設定すればよい。
図１２に示す放熱基板１０１では、放熱部材１４２の面Ａはその長辺および短辺のそれぞれを、結合層１５２の面Ｂの長辺および短辺のそれぞれより短くすることで、面Ｂの面積より面Ａの面積を小さくしている。また、放熱部材１４２の面Ａ’はその長辺および短辺のそれぞれを、結合層１５２の面Ｂの長辺および短辺のそれぞれより長くすることで、面Ｂの面積より面Ａ’の面積を大きくしている。一方、図１３に示す放熱基板１０１では、放熱部材１４２の面Ａの面積は、その短辺のみを結合層１５２の面Ｂの短辺より短くすることで、面Ｂの面積より小さくしている。また、放熱部材の面Ａ’の面積はその短辺のみを結合層の面Ｂの短辺より長くすることで、面Ｂの面積より大きくしている。
なお、放熱部材１４２の面Ａは、その長辺のみを結合層１５２の面Ｂの長辺より短くすることで、面Ｂの面積より面Ａの面積を小さくし、また放熱部材４２の面Ａ’はその長辺のみを結合層１５２の面Ｂの長辺より長くすることで、面Ｂの面積より面Ａ’の面積を大きくしても何等差し支えない。
図１４に示す放熱基板１０１は、結合層１５１が部分的に複数の回路部材１４１にわたって形成されており、結合層１５１が複数の回路部材１４１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り、配線が簡略化される。
図１５に示す放熱基板１０１は、活性金属層１３１，１３２の２つの層と、結合層１５１，１５２の２つの層と、回路部材１４１および放熱部材１４２とをセラミック基板１０２に対してそれぞれほぼ面対称としたものであり、結合層１５１が部分的に複数の回路部材４１にわたって形成されるとともに、結合層１５２が部分的に複数の放熱部材１４２にわたって形成されている。図１１は、図１５に示す放熱部材１４２の拡大断面図である。図１５に示す放熱基板１０１は、結合層１５１が複数の回路部材１４１を接続する配線として作用する。また、結合層１５２が複数の放熱部材１４２を接続する配線として作用する。このためワイヤーによる配線が不要となり、配線がより簡略化される。
図１６に示す放熱基板１は、図１４と同様に結合層１５１が部分的に複数の回路部材１４１にわたって形成されている。その厚みは回路部材１４１が配置された領域、即ち回路部材配置領域（ｅ）に比し、回路部材１４１の間の領域、即ち回路部材間領域（ｆ）で薄くしている。放熱基板１０１に発生する反りの向きを放熱部材１４２側に凸になるように制御することができ、放熱基板１０１の放熱特性を向上させることができる。特に、結合層１５１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。
図７に示すように、本実施形態の放熱基板１０１は、１枚のセラミック基板１０２と、複数の回路部材１４１と、複数の金属層１２２と、複数の放熱部材１４２とを有する。セラミック基板１０２の第一の主面である第一基板表面１０２ａに回路部材１４１が設けられている。セラミック基板１０２の第二の主面である第二基板主面１０２ｂに金属層１２２が設けられている。放熱部材１４２は、第一表面Ａと、第一表面Ａの反対側にある第二表面Ａ’とを具備する。第一表面Ａは金属層１２２と当接している。
セラミック基板の第一基板主面１０２ａには、金属層１２１が設けられ、金属層１２１の上に回路部材１４１が設けられている。金属層１２１は金属層１２２と同様の構造および特性を有することが望ましい。
複数の放熱部材１４２は、縦２行および横３列の行列状に配置されている。例えば、放
熱部材１４２は、例えば１個当たりの面ＡにおけるＸ方向の長さは１０〜２０ｍｍ、Ｙ方向の長さは１０〜２５ｍｍ、また面Ａ’におけるＸ方向の長さは１０〜３０ｍｍ、Ｙ方向の長さは１０〜３５ｍｍ、厚みは０．５〜５ｍｍとすることができる。但し、面ＡにおけるＸ方向およびＹ方向の長さがともに１０ｍｍである場合、面Ａ’におけるＸ方向およびＹ方向の長さの少なくともいずれかを１０ｍｍより長くする。
このように、複数行、複数列の行列状に配置することで、セラミック基板１０２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１０１の反りを低減することができる。なお、列および行の数に特に制限はなく、どのような数の組合せでも用いることができる。
回路部材１４１を放熱部材１４２と同様に複数設けることが好ましい。また、複数行、複数列の行列状に配列することが同様の理由により好ましい。特に、回路部材１４１と放熱部材１４２とをセラミック基板を中心にして対称に配置することで、放熱基板１０１の反りをさらに低減することができる。
ここで、放熱部材１４２を放熱基板の反りを抑制できる理由について図８を用いて説明する。いずれの場合も放熱基板１０１の反りは実質的にセラミック基板１０２の反りで示すことができ、図８に示すセラミック基板１０２には、（ａ），（ｃ）とも１枚の放熱基板当たりの回路部材１４１および放熱部材１４２はそれぞれの合計体積が同じとなるように配置されている。図８（ａ）は、回路部材１４１および放熱部材１４２を複数行、複数列の行列状に配置する場合である。図８（ｃ）は１行、複数列の行列状に配置した場合である。図８（ａ）のように、正方形または正方形に近い形態で配置することができる。曲率半径（Ｒ）が同じである場合、図８（ａ）のＣ−Ｃ線における断面での反りを模式的に表した図８（ｂ）に示すセラミック基板１０２ａに発生する反り（Ｈ１）は、図８（ｃ）のＣ−Ｃ線における断面での反りを模式的に表した図８（ｄ）に示すセラミック基板１０２ｂに発生する反り（Ｈ２）より小さくすることができる。
次に、行列状に放熱部材を配置した場合の面Ａ、面Ａ’および面Ｂの配置関係について説明する。
図９は、一組の金属層１２２および放熱部材１４２とを示したものである。図９（ａ）に示すように、ここでは、放熱部材として図２に示したものを用いている。図９（ｂ）に示したように、金属層１２２(実際には結合層１５２)の面Ｂの中心はＯである。一方、放熱部材１４２の面Ａおよび面Ａ’の中心はいずれもＯ’である。すなわち、放熱部材１４２の形状は、面Ａの長手方向の長さがＬ１、短手方向の長さがＷ１である。金属層１２２の形状は長手方向の長さがＬ２と短手方向の長さがＷ２である。
面Ｂの中心Ｏと、面Ａの中心Ｏ’との距離は、長手方向がａ、短手方向がｂである。応力緩和特性は距離ａおよび距離ｂによって異なる。
距離ａおよび距離ｂが長いほど、発生する熱応力はそれぞれ長手方向および短手方向でバランスが損なわれた状態で緩和される。距離ａおよび距離ｂが短いほど、発生する熱応力はそれぞれ長手方向および短手方向でバランスよく緩和される。図１０に面Ｂの中心Ｏと、面Ａの中心Ｏ’との位置が一致した場合、すなわち距離ａおよび距離ｂがいずれもゼロである場合を示している。この場合、熱応力が効果的に緩和される。
このような観点から距離ａおよび距離ｂは、それぞれ以下の式（１）および（２）で規定される範囲とすることで、金属層１２２は接合工程における冷却時に容易に変形して、発生する熱応力をそれぞれ長手方向および短手方向にバランスよく緩和するため、セラミック基板１０２が破壊する確率をさらに減少させることができる。
特に、放熱基板１０１は式（１）および（２）を満たすことがより好適である。これにより、セラミック基板１０２が破壊する確率は、式（１）および（２）のいずれかのみを満たす場合より減少する。なお、この関係は図１のように放熱板が１枚の場合にも適応できる。
０≦ａ≦（Ｌ２−Ｌ１）／２・・・（１）
但し、Ｌ１：放熱部材の面Ａの長手方向における長さ、
Ｌ２：結合層の面Ｂの長手方向における長さ
０≦ｂ≦（Ｗ２−Ｗ１）／２・・・（２）
但し、Ｗ１：放熱部材の面Ｂの短手方向における長さ、
Ｗ２：結合層の面Ｂの短手方向における長さ
次に、本実施形態にかかる放熱基板の製造方法について説明する。
図１において、放熱基板１は、例えば、まず、長さ３０〜８０ｍｍ、幅１０〜８０ｍｍおよび厚み０．１３〜０．４ｍｍのセラミック基板２の両主面上に、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびバナジウム（Ｖ）などの４族元素または５族元素である活性金属元素を１種以上含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷、ロールコーター法または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０．１〜０．６μｍの銅箔を積層した後、８００〜９００℃で加熱して、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のそれぞれが回路部材４１，放熱部材４２と接する面を研磨した後、水素、窒素およびネオン、アルゴン等の還元性もしくは、不活性ガスのいずれかから選ばれる雰囲気中で、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回路部材４１，放熱部材４２を例えば３行２列や３行３列の行列状に配置し、接合して放熱基板１を得る。
放熱部材４２の少なくとも一部が面Ａから面Ａ’に向かって傾斜面Ｃ’となる角錐台形状である場合には、予め打ち抜き加工によりその形状を形成するとよい。放熱部材４２が面Ａから厚み方向に切欠いた段部を備える場合には、予めミリング加工により段部を形成すればよい。
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、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、結合層１５１が複数の回路部材１４１を接続し、かつ、図１６（ｄ）に示すように、その厚みを回路部材配置領域（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１５１以外の部分にマスキングを施し、エッチングまたはレーザー等を用いて、回路部材間領域（ｆ）の結合層１５１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１０１を得ることができる。
放熱基板１は、特に、銅または銅合金を主成分とする回路部材４１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、予めプレス加工または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、あるいは接合後にエッチングまたはレーザー等を用いた方法によりパターニングしたりすればよい。
以上のことから、本実施形態の放熱基板１によれば、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法または活性金属法等で接合した場合より、接合時に回路部材４１および放熱部材４２に生じる反りが小さくなるので、回路部材４１および放熱部材４２の厚みを大きくすることができる。回路部材４１および放熱部材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（不図示）の取り付けも不要にすることができる。
放熱基板１における回路部材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おける蓄熱を有効に抑えることができる。
以上、本実施形態の放熱基板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および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することができる。また、本実施形態によれば、回路部材４１上に電子部品を搭載した場合、電子部品に蓄熱することが抑制される。これにより、放熱特性の高いパワーモジュール等の電子装置を提供できる
本発明の実施形態にかかる電子装置は、放熱基板１の回路部材４１上に電子部品を搭載してなる。回路部材上に搭載した電子部品が発熱しても、電子部品に蓄積する熱を低減でき、放熱特性の高いパワーモジュール等の電子装置を提供できる。
次に、本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
放熱部材形状の異なる放熱基板を作製した。セラミック基板の第一基板表面に回路部材が、第二基板表面に放熱部材が、それぞれ２行３列に配列されている。
まず、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に示す大きさのセラミック基板１０２の両主面に、活性金属層１３１，１３２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１５１，１５２となる無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱して、活性金属層１３１，１３２および無酸素銅からなる結合層１５１，１５２を形成した。そして、結合層１５１，１５２の回路部材１４１および放熱部材１４２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。その後、水素雰囲気中にて加熱し、圧力３０ＭＰａで結合層１５１，１５２と接合する面が平坦な回路部材１４１および放熱部材１４２をそれぞれ配置し、接合することにより放熱基板１０１である試料Ｎｏ．１〜８を作製した。
ここで、結合層１５２の面Ｂの長手方向における中心と、放熱部材１４２の面Ａの長手方向における中心との距離ａおよび結合層１５２の面Ｂの短手方向における中心と、放熱部材１４２の面Ａの短手方向における中心との距離ｂは、試料Ｎｏ．１〜８ではいずれも１０μｍ以下とした。
なお、表１中の記号は、以下の通りとし、放熱部材１４２が図１２に示す、面Ａから面Ａ’に向かって傾斜面となる角錐台形状である放熱基板については角錐台、放熱部材１４２が図１３に示す、面Ａから厚み方向に切欠いた段部を備えた放熱基板については段部、放熱部材１４２が直方体である放熱基板については直方体と記した。
ＳＡ：結合層１５２に当接する、放熱部材１４２の面Ａの面積
ＳＡ’：放熱部材１４２の面Ａ’の面積
ＳＢ：結合層１５２の面Ｂの面積
Ｌ１：放熱部材１４２の面Ａの長手方向における長さ
Ｌ１’：放熱部材１４２の面Ａ’の長手方向における長さ
Ｌ２：結合層１５２の面Ｂの長手方向における長さ
Ｗ１：放熱部材１４２の面Ａの短手方向における長さ
Ｗ１’：放熱部材１４２の面Ａ’の短手方向における長さ
Ｗ２：結合層１５２の面Ｂの短手方向における長さ
そして、試料Ｎｏ．１〜８を試験槽内に配置し、ＪＩＳ Ｃ ００２５−１９８８に準拠して環境試験を実施した。
具体的には、前記試料を試験槽内に配置した後、試験槽内の温度を上げ、１２５℃で３０分維持した後、試験槽内の温度を下げ、−４０℃で３０分維持するというサイクルを１サイクルとして、セラミック基板２にクラックが観察されたサイクル数を表１に示した。
クラックの有無については、光学顕微鏡を用い、倍率２０倍で確認した。
また、別途、本実施例の放熱基板である試料Ｎｏ．１〜８を上述した方法と同じ方法で作製し、放熱部材１４２の底面にアルミニウムからなるヒートシンク（不図示）を圧着した後、回路部材１４１上に半導体素子を搭載した電子装置を作製した。
そして、半導体素子に３０Ａの電流を流し、電流を流してから５分後に半導体素子の表面温度をサーモグラフィーで測定し、その表面温度を表１に示し、放熱基板の放熱特性を評価した。
Figure 0005202333
表１に示すように、放熱部材１４２の面Ａの面積ＳＡが結合層１５２の面Ｂの面積ＳＢより小さく、かつ面Ａ’の面積ＳＡ’が面Ｂの面積ＳＢより大きい試料Ｎｏ．１〜６は、最短でも３２００サイクルに初めてセラミック基板１０２にクラックが観察され、容易にクラックが発生しないことがわかった。
特に、放熱部材１４２が面Ａから厚み方向に切欠いた段部を備えた試料Ｎｏ．４は、試料Ｎｏ．４の面積ＳＡおよび面積ＳＡ’と等しく、かつ放熱部材１４２が面Ａから面Ａ’に向かって傾斜面となる角錐台形状である試料Ｎｏ．１よりクラックが初めて観察されたサイクル数が多い。また、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．２、試料Ｎｏ．６と試料Ｎｏ．３を比べても同様のことがわかった。
放熱特性について評価すると、放熱部材１４２が面Ａから面Ａ’に向かって傾斜面となる角錐台形状である試料Ｎｏ．１は、試料Ｎｏ．１の面積ＳＡおよび面積ＳＡ’と等しい放熱部材１４２が面Ａから厚み方向に切欠いた段部を備えた試料Ｎｏ．４より、半導体素子の表面温度が低く、放熱特性は良好であるといえる。放熱特性についても、試料Ｎｏ．２と試料Ｎｏ．５、試料Ｎｏ．３と試料Ｎｏ．６を比べても同様のことがわかった。
これに対し、比較例である放熱部材１４２の面Ａの面積ＳＡと、放熱部材１４２の面Ａ’の面積ＳＡ’とが等しい試料Ｎｏ．７は、１０００サイクル後にセラミック基板１０２にクラックが観察された。
また、放熱部材１４２の結合層１５２側の面Ａの面積、放熱部材１４２の面Ａ’の面積および結合層１５２の放熱部材１４２側の面Ｂの面積が等しい試料Ｎｏ.８も５００サイクル後にセラミック基板１０２にクラックが観察され、何れも試料Ｎｏ．１〜６に比し、放熱特性が劣ることがわかった。
＜実施例２＞
実施例１に示した方法と同じ方法で、放熱基板である試料Ｎｏ．９〜１８を作製した。放熱基板作製後、金属層１２２の面Ｂの長手方向における中心と、放熱部材１４２の面Ａの長手方向における中心との距離ａおよび金属層１２２の面Ｂの短手方向における中心と、放熱部材１４２の面Ａの短手方向における中心との距離ｂを画像計測器で測定し、その測定値を表２および表３に示した。
なお、表２および表３中の記号および放熱部材１４２の形状は、実施例１で示した各記号および各形状と同一である。
そして、試料Ｎｏ．９〜１８を試験槽内に配置し、実施例１で示した方法と同じ方法を用いて、環境試験を実施し、セラミック基板１０２にクラックが観察されたサイクル数を表２に示した。なお、クラックの有無については、光学顕微鏡を用い、倍率２０倍で確認した。
Figure 0005202333
Figure 0005202333
表２，３に示すように、放熱部材が角錐台形状または段部を備えるとともに、上述で規定した距離ａおよび距離ｂのそれぞれが０≦ａ≦（Ｌ２−Ｌ１）／２、０≦ｂ≦（Ｗ２−Ｗ１）／２で規定される範囲にある試料Ｎｏ．９〜１２，１４〜１７は、前記式の範囲外である試料Ｎｏ．１３，１８よりクラックが初めて観察されたサイクル数が遅く、放熱特性がより高いことがわかった。

Claims (6)

  1. セラミック基板と、
    該セラミック基板の表面に設けられた金属層と、
    該金属層側に面する第一表面と、該第一表面の反対側にある第二表面とを具備し、前記第一表面の面域全体を前記金属層に当接させて接合してなる１以上の放熱部材とを有してなり、
    該放熱部材側に面する前記金属層の表面の面積が、前記第一表面の面積より大きく、かつ前記第二表面の面積より小さいことを特徴とする放熱基板。
  2. 前記セラミック基板が窒化珪素を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
  3. 前記金属層が、活性金属層と銅を主成分とする結合層とを具備し、
    前記セラミック基板に活性金属層、該活性金属層の上に結合層を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
  4. 前記放熱部材が、銅または銅合金を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
  5. 前記放熱部材が、複数行および複数列の行列状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
  6. 請求項１に記載の放熱基板の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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