JP7119689B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板に関する。

ヒートシンク付き絶縁回路基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が知られている。
例えば、特許文献１に開示されているヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、ヒートシンクの天板部には、絶縁回路基板が収容される収容凹部が形成されている。

特開２０１６－１８１５４９号公報

ところで、上記特許文献１に開示されているヒートシンク付きパワーモジュール用基板のヒートシンクの底面に、パワーモジュール用基板の冷却効率を向上させるため、複数のフィンを設けることが考えられる。この場合、ヒートシンクの製造過程において、該ヒートシンクの中央部分に形成されるフィンの高さがその周囲に形成されるフィンの高さよりも小さくなる場合がある。このような複数のフィンの高さが異なるヒートシンクにパワーモジュール用基板を接合した場合、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合率が低下する。
この接合率の低下を抑制するため、例えばグラファイトシートのようなクッション材を複数のフィンに当接させた状態でこれらを積層方向に押圧することが考えられるが、クッション材により面荷重の均一化を図ることができるものの、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合率を十分向上させることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンクと絶縁回路基板との接合率を向上できるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板を提供することを目的とする。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に配置され、一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、前記ヒートシンクの他方の面と前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を備え、前記ヒートシンクは、前記フィンの高さが大きい第１領域と、該第１領域よりも前記フィンの高さが小さい第２領域と、を有しており、前記ヒートシンク接合工程では、前記第１領域における前記フィンの先端にグラファイトシートを当接させ、かつ前記第２領域における前記フィンの先端に前記グラファイトシートよりも少なくとも表面の高さが大きいカーボンフェルトを当接させた状態で、前記絶縁回路基板及び前記ヒートシンクを押圧する。

ここで、フィンの高さが大きい第１領域と、該第１領域よりも前記フィンの高さが小さい第２領域とを備えるヒートシンクの各フィンを１枚のグラファイトシートで押圧すると、該グラファイトシートが第２領域の各フィンに当接しないか、若しくは当接しても押圧力が弱くなる。このため、ヒートシンクの第２領域に対応する部分と絶縁回路基板との接合率が低下する。
これに対し、本発明の製造方法によれば、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを接合する際に、第１領域におけるフィンの先端にグラファイトシートを当接させ、第２領域におけるフィンの先端にグラファイトシートよりも高さが大きくかつクッション性が高いカーボンフェルトを当接させた状態で、絶縁回路基板及びヒートシンクを押圧するので、第１領域及び第２領域に均等に押圧力を作用させることができ、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを確実に接合して、これらの接合率を向上できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の好ましい態様としては、前記第２領域は、前記一方の面の中央部に位置し、前記第１領域は、前記一方の面の外周部に位置しているとよい。
ここで、複数のフィンを有するヒートシンクを鍛造により製造すると、その際の材料の流れにより中央部に材料がいき渡りにくいため、中央部のフィンの高さが外周部のフィンの高さより小さくなる傾向にある。すなわち、ヒートシンクにおける複数のフィンが形成される一方の面における中央部に第２領域が位置し、外周部に第１領域が位置することとなる。
上記態様では、外周部にグラファイトシートを配置し、中央部にカーボンフェルトを配置するだけで、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとをより確実に接合できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の好ましい態様としては、前記グラファイトシートにおける前記第２領域に対応する位置が切り欠かれており、切欠き部に前記カーボンフェルトが嵌め込まれているとよい。
上記態様では、第１領域をグラファイトシートのみで押圧し、かつ、第２領域をカーボンフェルトのみで押圧できるので、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとをさらに確実に接合できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の好ましい態様としては、前記グラファイトシート上に前記カーボンフェルトが重ねて設けられているとよい。
上記態様では、グラファイトシートにカーボンフェルトを嵌め込むための切欠き部を形成する必要がないことから、グラファイトシートの構成を簡略化できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の好ましい態様としては、前記ヒートシンク接合工程は、前記セラミックス基板に前記回路層及び前記金属層が接合された前記絶縁回路基板を前記ヒートシンクに接合するとよい。
ここで、回路層、セラミックス基板、金属層、ヒートシンクをこの順で重ね合わせた積層体を積層方向に加圧してこれらを接合する場合、接合部位が多いので接合位置がずれる可能性がある。
これに対し、上記態様では、セラミックス基板に回路層及び金属層が接合された絶縁回路基板にヒートシンクを接合するだけで、ヒートシンク付き絶縁回路基板を製造できるので、これらの接合位置がずれることを抑制でき、ヒートシンク付き絶縁回路基板の信頼性を高めることができる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の好ましい態様としては、前記グラファイトシートの表面に対して前記カーボンフェルトの高さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下大きいとよい。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に配置され、一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記ヒートシンクの他方の面側に接合部を介して前記絶縁回路基板が配置されており、前記ヒートシンクは、前記フィンの高さが大きい第１領域と、該第１領域よりも前記フィンの高さが小さい第２領域とを備え、前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクとの接合率が９５％以上、前記回路層の面積をＡとし、前記回路層の反り量をＺとし、前記回路層の接合面側に凹状の変形を正の反り量とした場合に、ＡとＺの比率Ｚ／Ａが０μｍ／ｃｍ^２以上１０μｍ／ｃｍ^２以下の範囲内である。
このヒートシンク付き絶縁回路基板は、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合率が９５％以上、回路層の反り量Ｚ／回路層の面積Ａが０μｍ／ｃｍ^２以上１０μｍ／ｃｍ^２以下の範囲内であるので、ヒートシンク付き絶縁回路基板の回路層上にチップなどの電子部品を固定する際のはんだ付け時におけるボイドの発生等を抑制できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記回路層は、前記セラミックス基板に形成された純アルミニウムからなる第１回路層と、前記第１回路層の上面に形成されたアルミニウム合金からなる第２回路層と、を備え、前記金属層は、純アルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、アルミニウム合金で構成されているとよい。
上記態様では、セラミックス基板の両面に形成される第１回路層及び金属層を純アルミニウムにより構成し、ヒートシンクと第２回路層とをアルミニウム合金により構成することで、セラミックス基板の両側の構成材間をバランスさせることができ、反りを軽減できる。

本発明によれば、ヒートシンクと絶縁回路基板との接合率を向上できる。

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 上記実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板の平面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図であり、（ａ）が絶縁回路基板とヒートシンクとの接合前、（ｂ）が接合後の状態を示す。 上記実施形態の変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を接合する際に用いられる支持板を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［ヒートシンク付き絶縁回路基板の概略構成］
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法により製造されるヒートシンク付き絶縁回路基板１は、図１に示すように、絶縁回路基板１０に、複数のフィンが立設されたフィン一体型のヒートシンク２０が接合されたものである。

絶縁回路基板１０は、図１に示すように、いわゆるパワーモジュール用基板であり、絶縁回路基板１０の表面には、図１の二点鎖線で示すように、素子３０が搭載されパワーモジュール１００となる。この素子３０は、半導体を備えた電子部品であり、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。この場合、素子３０は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の上面にはんだ３１等により接合されることで、素子３０が回路層１２の上面に搭載される。また、素子３０の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層１２の回路電極部等に接続され、パワーモジュール１００が製造される。

［絶縁回路基板の構成］
絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３とを備える。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。

回路層１２は、回路パターンにより分断された複数の小回路層からなり、セラミックス基板１１に接合される第１回路層１２１と、第１回路層１２１の上面に接合される第２回路層１２２とを備えている。このような回路層１２の面積Ａは、例えば、４９ｃｍ^２に設定されている。
これらのうち第１回路層１２１は、純度９９質量％以上の純アルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
金属層１３は、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。

本実施形態においては、第１回路層１２１及び金属層１３は、純度が９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板とされ、その厚さは０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定されており、第１回路層１２１の厚さ寸法と金属層１３の厚さ寸法とが同一に設定されている。
一方、第２回路層１２２は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金が用いられており、その厚さは０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されており、後述するヒートシンク２０の中央部の厚さ寸法と同一の厚さ寸法に設定されている。
そして、これら回路層１２及び金属層１３は、第１回路層１２１、第２回路層１２２、セラミックス基板１１、及び金属層１３の順に、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合される。

［ヒートシンクの構成］
この絶縁回路基板１０に接合されるヒートシンク２０は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金を鍛造により成形することにより形成される。そして、金属層１３に接合されるヒートシンクの中央部に、絶縁回路基板１０の少なくとも一部が収容される収容凹部２１が形成され、収容凹部２１の外周側に厚肉部分が残されることにより周壁部２３が形成されている。この収容凹部２１の底面２２に絶縁回路基板１０の金属層１３が、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合される。

また、ヒートシンク２０は、収容凹部２１の厚み寸法（収容凹部２１の底面２２の厚み寸法）が周壁部２３の厚み寸法よりも薄く形成されている。例えば、ヒートシンク２０がＡ６０６３系アルミニウム合金からなる総厚２．１ｍｍ～６．８ｍｍの板材により形成され、周壁部２３の厚み寸法が２．１ｍｍ～６．８ｍｍ、収容凹部２１の底面２２の厚み寸法が０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されている。

このヒートシンク２０の収容凹部２１における底面２２の反対側の面２２ｂには、複数のピン状フィン２５が立設されている。このため、図２及び図３に示すように、ピン状フィン２５の高さが大きい第１領域Ａｒ１と、第１領域Ａｒ１よりもピン状フィン２５の高さが小さい第２領域Ａｒ２とを備えている。具体的には、ヒートシンク２０が鍛造により成形されることから、その材料の流動により、図２に示すように、上記面２２ｂの外周部にピン状フィン２５の高さが大きい第１領域Ａｒ１が配置され、中央部にピン状フィン２５の高さが小さい第２領域Ａｒ２が配置されることとなる。これら第１領域Ａｒ１におけるピン状フィン２５の高さは、０．５～１０ｍｍであり、第２領域Ａｒ２におけるピン状フィン２５の高さは、０．４９２５～９．９７５ｍｍであり、その高さ差は、２５～７５μｍ程度である。
なお、ヒートシンク２０に立設されるフィンの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のようなピン状フィン２５の他、ひし形フィンや帯板状のフィン等を形成することもできる。

次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３を接合して絶縁回路基板１０を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０を接合するヒートシンク接合工程と、からなる。以下、この工程順に説明する。

（絶縁回路基板形成工程）
第１回路層１２１、セラミックス基板１１、金属層１３を、それぞれＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに第１回路層１２１、他方の面１１ｂに金属層１３が接合される。ろう材箔は加熱により溶融し、回路層１２や金属層１３中に拡散して、これらをセラミックス基板１１と強固に接合する。
このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａで、６３０℃以上６５５℃以下の加熱温度に２０分以上１２０分以下保持するのが好適である。また、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材の他、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材や、これらのクラッド材などを用いることもできる。

そして、第１回路層１２１上にＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を介して第２回路層１２２を配置し、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、第１回路層１２１と第２回路層１２２とを接合する。この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。
これにより、セラミックス基板１１の両面に回路層１２及び金属層１３が接合された絶縁回路基板１０が形成される。

（ヒートシンク接合工程）
図３（ａ）に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の下面と、ヒートシンク２０の収容凹部２１の底面２２との間にＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔１４介在させ、図３（ｂ）に示すように、加圧板６１Ａ，６１Ｂと、グラファイトシート６４及びカーボンフェルト６５を備える支持体６２とにより積層方向に加圧した状態で加熱することにより、金属層１３とヒートシンク２０とを接合する。

（加圧板の構成）
加圧板６１Ａ，６１Ｂのそれぞれは、図３（ｂ）に示すように、絶縁回路基板１０に形成された回路層１２を構成する小回路層のそれぞれに対向して配置され、回路層１２を押圧する。このような加圧板６１Ａ，６１Ｂのそれぞれは、例えば、角柱状のステンレス鋼材の表面にカーボン板が積層されたものである。
なお、図３（ｂ）の例では、加圧板６１Ａ，６１Ｂの２つの加圧板により回路層１２を押圧することとしたが、これに限らず、上記小回路層が３つ以上である場合には、３つ以上の加圧板により押圧してもよいし、全ての小回路層をまとめて押圧可能な大きさの１つの加圧板により押圧してもよい。

（支持板の構成）
支持体６２は、ステンレス鋼材からなる支持板６３と、支持板６３の上面に固定されたグラファイトシート６４及びカーボンフェルト６５と、を備えている。カーボンフェルト６５は、炭素繊維からなるフェルトであり、支持板６３の中央に配置される略矩形板状の部材である。このカーボンフェルト６５の周囲には、グラファイトシート６４が配置されている。
グラファイトシート６４は、第１領域Ａｒ１に位置するピン状フィン２５に対向して配置され、カーボンフェルト６５は、第２領域Ａｒ１に位置するピン状フィン２５に対向して配置される。具体的には、グラファイトシート６４における第２領域Ａｒ２に対応する位置が該第２領域Ａｒ２と同形状に切り欠かれており、該切欠き部６５１内にカーボンフェルト６５が嵌め込まれている。すなわち、グラファイトシート６４は、平面視において図２に示す第１領域Ａｒ１と同形状に形成され、カーボンフェルト６５は、平面視において図２に示す第２領域Ａｒ２と同形状に形成されている。

また、第１領域Ａｒ１のピン状フィン２５は、第２領域Ａｒ２のピン状フィン２５に比べて長いため、グラファイトシート６４の表面に対してカーボンフェルト６５の表面の高さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下大きく形成される。例えば、グラファイトシート６４の厚さは、１．０ｍｍに設定され、カーボンフェルト６５の厚さは、２．０ｍｍに設定され、グラファイトシート６４の表面に対してカーボンフェルト６５の表面の高さが１．０ｍｍ高く設定される。
なお、グラファイトシート６４の厚さ及びカーボンフェルト６５の厚さは、これに限らず、各領域Ａｒ１，Ａｒ２のピン状フィン２５の高さ差に応じて適宜変更可能であり、カーボンフェルト６５の厚さがグラファイトシート６４の厚さよりも大きければよい。

また、これらグラファイトシート６４及びカーボンフェルト６５のそれぞれは、クッション性に優れている。例えば、グラファイトシート６４は、圧縮率４７％、復元率１５％、応力緩和率１．０％であり、カーボンフェルト６５は、圧縮率５５％、復元率７０％、応力緩和率２．０％である。すなわち、カーボンフェルト６５は、グラファイトシート６４に比べてクッション性が高い素材であり、このカーボンフェルト６５により第２領域Ａｒ２のピン状フィン２５を押圧し、グラファイトシート６４により第１領域Ａｒ１を押圧することで、第１領域Ａｒ１及び第２領域Ａｒ２のそれぞれにかかる押圧力を略均等にしている。

このような加圧板６１Ａ，６１Ｂ及び支持体６２により絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０を挟持して積層方向に加圧することにより、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合される。すなわち、一方の面２２ｂに複数のフィン２５を有するヒートシンク２０の他方の面側（収容凹部２１の底面２２）に接合部を介して絶縁回路基板１０が配置（固定）される。
なお、この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。また、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材の他、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材や、これらのクラッド材を用いることもできる。

このような各種工程を経たヒートシンク付き絶縁回路基板１は、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合率が９５％以上、回路層１２の面積をＡとし、回路層１２の反り量をＺとし、回路層１２の接合面側に凹状の変形を正の反り量とした場合に、ＡとＺの比率Ｚ／Ａが０μｍ／ｃｍ^２以上１０μｍ／ｃｍ^２以下の範囲内となる。
このため、ヒートシンク付き絶縁回路基板１の回路層上にチップなどの電子部品を固定する際のはんだ付け時におけるボイドの発生等を抑制できる。
また、セラミックス基板１１の両面に接合される第１回路層１２１及び金属層１３を純アルミニウムにより構成し、ヒートシンク２０と第２回路層１２２とをアルミニウム合金により構成することで、セラミックス基板１１の両側の構成材間をバランスさせることができ、反りを軽減できる。

ここで、ピン状フィン２５の高さが大きい第１領域Ａｒ１と、該第１領域Ａｒ１よりもピン状フィン２５の高さが小さい第２領域Ａｒ２とを備えるヒートシンク２０の各ピン状フィン２５を１枚のグラファイトシートで押圧すると、該グラファイトシートが第２領域Ａｒ２の各ピン状フィン２５に当接しないか、若しくは当接しても押圧力が弱くなる。このため、ヒートシンク２０の第２領域Ａｒ２に対応する部分と絶縁回路基板１０との接合率が低下する。
これに対し、本実施形態の製造方法によれば、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク２０とを接合する際に、第１領域Ａｒ１におけるピン状フィン２５の先端にグラファイトシート６４を当接させ、第２領域Ａｒ２におけるピン状フィン２５の先端にグラファイトシート６４よりも高さが大きくかつクッション性が高いカーボンフェルト６５を当接させた状態で、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０を押圧するので、第１領域Ａｒ１及び第２領域Ａｒ２に均等に押圧力を作用させることができ、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク２０とを確実に接合して、これらの接合率を向上できる。

また、支持体６２（支持板６３）の上面における外周部にグラファイトシート６４を配置し、中央部にカーボンフェルト６５を配置するだけで、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク２０とをより確実に接合できる。この場合、カーボンフェルト６５がグラファイトシート６４に形成された切欠き部６５１に嵌め込まれていることから、第１領域Ａｒ１をグラファイトシート６４のみで押圧し、かつ、第２領域Ａｒ２をカーボンフェルト６５のみで押圧できるので、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク２０とをさらに確実に接合できる。
さらに、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３が接合された絶縁回路基板１０にヒートシンク２０を接合するだけで、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を製造できるので、例えばこれらを同時に接合する場合に比べて、これらの接合位置がずれることを抑制でき、ヒートシンク付き絶縁回路基板１の信頼性を高めることができる。

その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ヒートシンク接合工程において、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０と、を接合することとしたが、これに限らない。例えば、セラミックス基板１１に第１回路層１２１及び金属層１３を接合した後、第１回路層１２１上にろう材箔を配置するとともに、金属層１３とヒートシンク２０との間にろう材箔を配置して、第２回路層１２２とヒートシンク２０とを同時に接合することとしてもよい。

図４は、上記実施形態の変形例に係る絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に用いられる支持体６２Ａを示す断面図である。
上記実施形態では、支持体６２は、支持板６３の上面に第２領域Ａｒ２と同形状の切欠き部６５１を形成したグラファイトシート６４の該切欠き部６５１にカーボンフェルト６５を嵌め込んだ状態で固定することとしたが、これに限らない。
本変形例では、支持板６３の上面に矩形板状のグラファイトシート６４Ａを固定し、該グラファイトシート６４Ａの上面にカーボンフェルト６５Ａを固定している。具体的には、このカーボンフェルト６５Ａは、上記実施形態の厚さの半分の厚さ（例えば、０．１ｍｍ）に設定され、グラファイトシート６４Ａの上面におけるヒートシンク２０の第１領域Ａｒ１に対向する位置に固定されている。
本変形例では、グラファイトシート６４Ａを１枚の矩形板状に形成でき、例えば、上記実施形態のように、中央に第２領域Ａｒ２と同形状の空間を設ける必要がないことから、支持体６２Ａの構成を簡略化できる。

絶縁回路基板として、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）により形成された平面視で７０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面に４Ｎアルミニウムからなる第１回路層、Ａ６０６３系のアルミニウム合金からなる第２回路層、他方の面に４Ｎアルミからなる金属層を接合したものを用い、これに、中央部に平面視で７２ｍｍ×７２ｍｍ、深さ３．２ｍｍの収容凹部が形成され、周壁部の外径が１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ４ｍｍ、収容凹部の底面に対向する面に複数のピン状フィンが鍛造により形成され、第一領域の高さは８．０ｍｍ、第二領域の高さは７．９５ｍｍであるＡ６０６３系のアルミニウム合金からなるヒートシンクを接合した。
この絶縁回路基板とヒートシンクとの接合においては、絶縁回路基板の回路層（第２回路層）を上記実施形態と同じ加圧板で押圧し、ヒートシンクの複数のピン状フィンについては、ステンレス鋼材からなる支持体の上面に表１に示すクッション材が固定された支持板にて支持した。なお、加圧力及び温度等の条件は、上記実施形態と同じである。

この表１に示した手順にて接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板について、絶縁回路基板の回路層の上面の反り量を算出するとともに、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合率を評価した。

（回路層の上面における反り量）
上面の平面度は、回路層全面に対する４隅を基準面とし、島状に存在する回路層のそれぞれの４隅を３次元測定器により測定し、Ｚ軸座標を測定した。そして、Ｚ軸座標の最大値とＺ軸座標の最小値の差を反り量Ｚとして算出した。なお、測定面積は、回路層の全面４隅を範囲とした総面積Ａとした。これらから比率Ｚ／Ａを算出し、表１に記載した。

（接合率の評価）
接合率の評価は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴを用いて、金属層とヒートシンクの界面を測定し、以下の式から算出した。ここで、接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において接合されていない領域は白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合部面積とした。結果を表１に示す。
（接合率）（％）＝｛（接合面積）－（非接合部面積）｝／（接合面積）×１００
なお、接合率９５％以上を良「○」、９５％未満を否「×」と評価した。

表１から明らかなように、第１領域におけるピン状フィンの先端にグラファイトシートを当接させ、かつ第２領域におけるピン状フィンの先端にカーボンフェルトを当接させた状態で、絶縁回路基板及びヒートシンクを押圧した実施例１、２及び３では、回路層の反り量が小さく、接合率も高いヒートシンク付き絶縁回路基板が得られることが分かった。

一方、比較例１では、グラファイトシートにより第１領域及び第２領域におけるピン状フィンを押圧したことから、回路層の反り量及びＺ／Ａの値は最も小さかったものの、クッション性がカーボンフェルトよりも劣っているので、接合率の評価が否「×」であった。また、比較例２では、カーボンフェルトにより第１領域及び第２領域におけるピン状フィンを押圧したので、回路層の上面の反り量が１０００μｍ、Ｚ／Ａが１２．５μｍ／ｃｍ^２と大きくなり、接合率の評価は否「×」となった。

１ ヒートシンク付き絶縁回路基板
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２１ 第１回路層
１２２ 第２回路層
１３ 金属層
１４ ろう材箔
２０ ヒートシンク
２１ 収容凹部
２２ 底面
２２ｂ 面
２３ 周壁部
２５ ピン状フィン
３０ 素子
３１ はんだ
６１Ａ ６１Ｂ 加圧板
６２ ６２Ａ 支持体
６３ 支持板
６４ ６４Ａ グラファイトシート
６５ カーボンフェルト
６５１ 切欠き部

Claims (8)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に配置され、一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記ヒートシンクの他方の面と前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を備え、
   前記ヒートシンクは、前記フィンの高さが大きい第１領域と、該第１領域よりも前記フィンの高さが小さい第２領域と、を有しており、
   前記ヒートシンク接合工程では、前記第１領域における前記フィンの先端にグラファイトシートを当接させ、かつ前記第２領域における前記フィンの先端に前記グラファイトシートよりも少なくとも表面の高さが大きいカーボンフェルトを当接させた状態で、前記絶縁回路基板及び前記ヒートシンクを押圧することを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
2. 前記第２領域は、前記一方の面の中央部に位置し、前記第１領域は、前記一方の面の外周部に位置していることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
3. 前記グラファイトシートにおける前記第２領域に対応する位置が切り欠かれており、切欠き部に前記カーボンフェルトが嵌め込まれていることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
4. 前記グラファイトシート上に前記カーボンフェルトが重ねて設けられていることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
5. 前記ヒートシンク接合工程は、前記セラミックス基板に前記回路層及び前記金属層が接合された前記絶縁回路基板を前記ヒートシンクに接合することを特徴とする請求項１又は２から４のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
6. 前記グラファイトシートの表面に対して前記カーボンフェルトの表面の高さが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
7. セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に配置され、一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
   前記ヒートシンクの他方の面側に接合部を介して前記絶縁回路基板が配置されており、
   前記ヒートシンクは、前記フィンの高さが大きい第１領域と、該第１領域よりも前記フィンの高さが小さい第２領域とを備え、
   前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクとの接合率が９５％以上、前記回路層の面積をＡとし、前記回路層の反り量をＺとし、前記回路層の接合面側に凹状の変形を正の反り量とした場合に、ＡとＺの比率Ｚ／Ａが０μｍ／ｃｍ^２以上１０μｍ／ｃｍ^２以下の範囲内であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。
8. 前記回路層は、前記セラミックス基板に形成された純アルミニウムからなる第１回路層と、前記第１回路層の上面に形成されたアルミニウム合金からなる第２回路層と、を備え、
   前記金属層は、純アルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、アルミニウム合金で構成されていることを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

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