JPH04365361A - 熱伝導性基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱伝導性基板に係り、特
に放熱性および耐熱疲労性にすぐれ半導体装置用などに
適する熱伝導性基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば実装回路装置（ハイブリッドモ
ジュール）などにおいては、パワー半導体素子の高密度
実装化、ハイブリッド化、あるいはインテリジェント化
などが要求されている。このような要求への対応には、
前記実装する半導体素子の駆動によって発生する多量の
熱を如何に効率よく放熱して、半導体素子の温度上昇を
防止ないし低減するかが問題になる。こうしたことから
、前記パワー半導体素子などの実装に、たとえば熱伝導
性の良好なＣｕ層やＡｌ層を、Ａｌ２　Ｏ　３　のよう
なセラミックス基体面に一体的に配設して構成された放
熱性基板、あるいは熱伝導性および絶縁性を兼備するＡ
ｌＮやＳｉＣ　などのセラミックス基板が用いられてい
る。そして、これらの放熱性基板には、搭載・実装され
るパワー半導体素子などと電気的に接続する導電性金属
から成る配線パターンが主面などに、あるいは導電性金
属から成るグランド（接地）層が内層として配置されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように構成されている放熱性基板、あるいは放熱性セラ
ミックス基板を、前記パワー半導体素子などの実装に用
いた場合次のような問題がある。すなわち、セラミック
スと導電性金属との熱膨脹係数が、たとえばＣｕ：１７
×１０−６／℃に対し、ＡｌＮ　：　４×１０−６／℃
と大きく異なるため、接合部の温度変化に伴い接合部に
大きな熱応力が生じ、その接合部もしくはセラミックス
基体にクラックが発生し易いという問題、換言すると構
成したパワー半導体モジュールが破損するなどの問題が
ある。

【０００４】前記セラミックスと導電性金属との接合一
体化に伴う熱応力の発生を緩和する手段として、熱膨脹
係数がセラミックスに近いＭｏや　Ｗを導電性金属とし
て用いることも知られているが、Ｍｏや　Ｗはその電気
抵抗率がＣｕに比べて３倍も大きいため、良好な導電性
を要求される場合には適さない。

【０００５】こうした問題を考慮して、良好な導電性を
Ｃｕ層と熱応力の緩和に効果がある粒子や空孔を含有さ
せた基材とを複合化する手段も開発されている（特開昭
６３−１７９７３４　号公報）。この手段は、熱応力緩
和の効果が認められるものの、前記粒子や空孔の存在に
より、電気抵抗率の増大、もしくは接合強度の低下およ
び電気抵抗率の増大を招来するばかりでなく、ときには
接合用のろう材が前記空孔に侵入して、熱応力緩和の効
果を低減ないし喪失してしまうという不都合が認められ
る。本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、温度変化によって生じる熱応力で、接合部ないしセ
ラミックスにクラックが生じる問題を解消し、かつ良好
な電導性および放熱性を呈する熱伝導性基板の提供を目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱伝導性基
板は、熱伝導性セラミックス基体と、前記熱伝導性セラ
ミックス基体主面に積層一体化された導電性金属層−導
電性多孔質金属層−導電性金属層の複合金属層とから成
ることを特徴とする。

【０００７】本発明において、熱伝導性セラミックス基
体を成すセラミックスとしては、たとえば　ＡｌＮ、　
ＳｉＣ、ＢｅＯ　などがが挙げられ、一方導電性金属層
−導電性多孔質金属層−導電性金属層の複合金属層を形
成する導電性金属としては、たとえば　Ｃｕ、Ａｌもし
くはそれらの合金が挙げられる。しかして、前記導電性
多孔質金属層の構成は、たとえば　ＡｌＮ、　ＳｉＣ、
ＢｅＯ　、ＴｉＮ　、Ａｌ２　Ｏ　３　などの粒子を分
散させた粒子分散型であってもよく、また空孔率は導電
性多孔質金属層における所要の電気伝導性および耐熱疲
労特性を保持するうえから、１５　Ｖｏｌ％　以下、好
ましくは　１〜１２　Ｖｏｌ％　程度である。さらに、
前記導電性多孔質金属層における空孔率は、内側（中心
部）で小、外側（外周部）で大であることが望ましい。 つまり、前記熱応力は接合部において発生するため、そ
の発生地点に近接して応力緩和能が存在した方が効果的
にクラック発生など防止し得るからである。

【０００８】

【作用】本発明に係る熱伝導性基板によれば、熱伝導性
セラミックス基体主面に、導電性金属層−導電性多孔質
金属層−導電性金属層の複合金属層が積層一体化された
構成を成している。つまり、熱伝導性セラミックス基体
面に対して、非多孔質な導電性金属の薄い層が接合され
ているため、強固に接合一体化する一方、この接合部に
おける熱伝導性の低下など回避される。しかも、前記非
多孔質な導電性金属の薄い層に隣接する導電性多孔質金
属層によって、熱伝導性セラミックス基体と導電性金属
との熱膨脹差に起因して発生する熱応力も、容易に吸収
・緩和されてクラックの発生など効果的に防止ないし回
避するばかりでなく、前記熱応力の吸収・緩和に寄与す
る導電性多孔質金属層の主面は、非多孔質な導電性金属
の薄い層が一体化しているため、たとえばろう接の際、
ろう材が導電性多孔質金属層の空孔に侵入する問題も全
面的に解消され、熱応力の吸収・緩和機能を常に保持・
発揮する。換言すると加熱、冷却が繰り返される使用条
件でも、破損など起こさずに熱伝導性基板として、常に
所要の機能を呈する。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００１０】実施例１ 先ず、厚さ０．１　ｍｍのＣｕ板２枚と厚さ０．５　ｍ
ｍの密度９２　ｖｏｌ％　の多孔質Ｃｕ板１枚とを用意
し、前記多孔質Ｃｕ板を２枚のＣｕ板で挟み（積層配置
して）、　１×１０−４Ｔｏｒｒの真空炉中にて１　ｃ
ｍ２　当たり０．１　ｋｇの加重を載せて、　９００℃
で加熱し固相接合して導電性金属層−導電性多孔質金属
層−導電性金属層の複合金属層を得た。この複合金属層
を、長さ６０　ｍｍ　、幅３０　ｍｍ　に切断し、厚さ
０．６　ｍｍで長さ６０　ｍｍ　、幅３０ｍｍ　の　Ａ
ｌＮ基板（基体）の両主面上に、厚さ１０μｍ　のＴｉ
−Ａｇ−Ｃｕ系ろう材層を介してそれぞれ積層・配置し
た後、　１×１０−４Ｔｏｒｒの真空炉中で、　８３０
℃にて６分間加熱し接合して図１に断面的に示す構成の
熱伝導性基板を得た。なお、図１において、１は　Ａｌ
Ｎ基板（基体）、２はＣｕ板２ａ−多孔質Ｃｕ板２ｂ−
Ｃｕ板２ａ′系の複合金属層をそれぞれ示す。

【００１１】上記で得た熱伝導性基板について、室温か
ら　２００℃までの加熱、冷却を繰り返す熱疲労試験を
行ったところ、繰り返し回数５０回でもクラックの発生
は認められなかった。前記構成において、Ｃｕ板２ａ−
多孔質Ｃｕ板２ｂ−Ｃｕ板２ａ′系の複合金属層２を用
いる代わりに純Ｃｕ板を用いた他は、同一条件で構成し
た熱伝導性基板の場合、１回の熱疲労試験でクラックの
発生が認められたのに比べて大きな相違であった。

【００１２】実施例２ いわゆるテープキャスト法によって成形したグリーンシ
ートを切断した後、フォーミングガス中で焼結して得た
厚さ１．０　ｍｍ、長さ６０　ｍｍ　、幅３０　ｍｍ　
の密度　９０ｖｏｌ％でＡｌ２　Ｏ　３　分散量　４．
５　ｖｏｌ％　の　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質体を
用意した。次いで、このＣｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質
体の両主面を、　１　ｋＷ　の炭酸ガスレーザにより、
Ａｒガス中で出力　１　ｋＷ　、１００　ｋＨｚ　のオ
ッシレーションモードにより照射したところ、表面が約
０．１　ｍｍの深さに亘って緻密化し、導電性金属層−
導電性多孔質金属層−導電性金属層の構成を成す複合金
属層を得た。この複合金属層を、長さ６０　ｍｍ　、幅
３０　ｍｍ　に切断し、厚さ０．６　ｍｍで長さ６０　
ｍｍ　、幅３０　ｍｍ　の　ＡｌＮ基板（基体）の両主
面上に、厚さ１０μｍ　のＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ系ろう材層
を介してそれぞれ積層・配置した後、１×１０−４Ｔｏ
ｒｒの真空炉中で、　８３０℃にて６分間加熱し接合し
て図２に断面的に示す構成の熱伝導性基板を得た。なお
、図２において、１は　ＡｌＮ基板（基体）、２はレー
ザ緻密化層２ｃ−　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質体２
ｄ−レーザ緻密化層２ｃ′系の複合金属層をそれぞれ示
す。

【００１３】上記で得た熱伝導性基板について、室温か
ら　２００℃までの加熱、冷却を繰り返す熱疲労試験を
行ったところ、繰り返し回数５０回でもクラックの発生
は認められず、熱伝導性基板としてすぐれた機能を呈し
た。

【００１４】実施例３ Ｃｕ粉末にＡｌ２　Ｏ　３　分散量が　６　ｖｏｌ％　
になるよう混合し、フォーミングガス中、８５０　℃で
１時間仮焼結して厚さ８０　ｍｍ　外形４０　ｍｍ　の
　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質体を作成した。次いで
、この　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質体をＣｕ粉末中
に埋設し、上記と同じ条件で仮焼結して７０　ｍｍ　角
の仮焼結体とし、さらに９００　℃で１時間加圧焼結し
た後、厚さ１．０　ｍｍ、長さ６０　ｍｍ　、幅３０　
ｍｍ　に切断して導電性金属層−導電性多孔質金属層−
導電性金属層の構成を成す複合金属層を得た。この複合
金属層は、中心部の密度が　９５　ｖｏｌ％、外周部の
密度が　８５ｖｏｌ％であった。

【００１５】上記複合金属層を、厚さ０．６　ｍｍで長
さ６０　ｍｍ　、幅３０　ｍｍ　の　ＡｌＮ基板（基体
）の両主面上に、厚さ１０μｍ　のＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ系
ろう材層を介してそれぞれ積層・配置した後、　１×１
０−４Ｔｏｒｒの真空炉中で、　８３０℃にて６分間加
熱し接合して図３に断面的に示す構成の熱伝導性基板を
得た。なお、図３において、１は　ＡｌＮ基板（基体）
、２は緻密Ｃｕ層２ｅ−　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔
質体２ｄ−緻密Ｃｕ層２ｅ′系の複合金属層をそれぞれ
示し、前記　Ｃｕ−Ａｌ２　Ｏ　３　多孔質体２ｄにお
いては、空孔率が中心部２ｄ′で小、外周部２ｄ″で大
であった。

【００１６】上記で得た熱伝導性基板について、室温か
ら　２００℃までの加熱、冷却を繰り返す熱疲労試験を
行ったところ、繰り返し回数５００　回でもクラックの
発生は認められず、熱伝導性基板としてすぐれた機能を
呈した。

【００１７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のでなく、趣旨を逸脱しない限りいろいろの変形が可能
である。たとえば、前記では熱伝導性セラミック基体と
してＡｌＮ　を例示したが、ＳｉＣ　、ＢｅＯ　などで
あってもよいし、また熱伝導性セラミック基体の両面に
複合金属層を一体化・配設せずに片面のみでもよい。さ
らに、複合金属層の構成要素としての導電性多孔質体に
おいては、粒径の異なる金属粒子で、かつ複合金属層の
厚さとほぼ等しい粒径の粒子を含む粉末を焼結して構成
した場合、より良好な導電性を持たせることが可能とな
る。

【００１８】

【発明の効果】上記説明したように、本発明に係る熱伝
導性基板は、熱伝導性セラミックス基体面に対して、非
多孔質な導電性金属の薄い層が接合されているため、強
固な接合一体化を保持する一方、この接合部における熱
伝導性の低下など回避される。しかも、前記非多孔質な
導電性金属層に隣接する導電性多孔質金属層によって、
熱伝導性セラミックス基体と導電性金属との熱膨脹差に
起因して発生する熱応力も、容易に吸収・緩和されてク
ラックの発生など効果的に防止ないし回避される。特に
、導電性多孔質金属層の構成において、外周部の多孔質
分布を大に設定して、大きな熱応力を発生し易い外周部
に対応することなど選択的に対応することが可能となる
。さらに、前記熱応力の吸収・緩和に寄与する導電性多
孔質金属層の主面は、非多孔質な導電性金属の薄い層が
一体化しているため、たとえばろう接の際、ろう材が導
電性多孔質金属層の空孔に侵入する問題も全面的に解消
され、熱応力の吸収・緩和機能を常に保持・発揮する。 換言すると加熱、冷却が繰り返される使用条件でも、破
損など起こさずに熱伝導性基板として、常に所要の機能
を呈する。かくして、本発明に係る熱伝導性基板は、導
電性金属層の配線パターン化による高密度集積回路用基
板、あるいはヒートシンク材などとしての使用において
、多くの利点をもたらすものといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱伝導性基板の構成例を示す断面
図。

【図２】本発明に係る熱伝導性基板の他の構成例を示す
断面図。

【図３】本発明に係る熱伝導性基板のさらに他の構成例
を示す断面図。

【符号の説明】

１…ＡｌＮ　基体（熱伝導性セラミックス基体）　　　
　２…複合金属層　　　　２ａ、２ａ′、２ｃ、２ｃ′
、２ｅ、２ｅ′…導電性金属層　　　　２ｂ、２ｄ…導
電性多孔質金属層　　　　２ｄ′…導電性多孔質金属層
の空孔率の小の領域　　　　２ｄ″…導電性多孔質金属
層の空孔率の大の領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　熱伝導性セラミックス基体と、前記熱
   伝導性セラミックス基体主面に積層一体化された導電性
   金属層−導電性多孔質金属層−導電性金属層の複合金属
   層とから成ることを特徴とする熱導電性基板。