JPH0834265B2 - 良熱伝導性基板 - Google Patents
良熱伝導性基板Info
- Publication number
- JPH0834265B2 JPH0834265B2 JP16905487A JP16905487A JPH0834265B2 JP H0834265 B2 JPH0834265 B2 JP H0834265B2 JP 16905487 A JP16905487 A JP 16905487A JP 16905487 A JP16905487 A JP 16905487A JP H0834265 B2 JPH0834265 B2 JP H0834265B2
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- Japan
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- conductive substrate
- composite member
- good heat
- heat conductive
- substrate
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、パワー半導体モジュール基板等に適用され
る良熱伝導性基板に関する。
る良熱伝導性基板に関する。
（従来の技術） 近年、パワー半導体素子に対し高密度集積化、ハイブ
リッド化、更には大電流の制御など種々の要求が高まっ
ている。こうした要求を達成しようとすると、半導体素
子より発生する多量の熱が問題となる。このため、発生
する多量の熱を放出して半導体素子の温度上昇を防ぐ必
要がある。
リッド化、更には大電流の制御など種々の要求が高まっ
ている。こうした要求を達成しようとすると、半導体素
子より発生する多量の熱が問題となる。このため、発生
する多量の熱を放出して半導体素子の温度上昇を防ぐ必
要がある。
このようなことから、従来、放熱基板を用いた第３図
に示すパワー半導体モジュールが多用されている。即
ち、第３図中の１はCu等よりなるヒートシンクであり、
このヒートシンク１上には後記熱拡散板との絶縁を図る
ためのAl2O3からなる第１絶縁板２が半田層３を介して
接合されている。この絶縁板２上には熱拡散板４が半田
層３を介して接合されている。また、この熱拡散板４上
には実装すべき半導体素子との絶縁を図るためのAl2O3
からなる第２絶縁板５が半田層３を介して接合されてい
る。そして、これら絶縁板５上には半導体素子６が半田
層３を介してそれぞれ接合されている。なお、図中の７
は第１、第２の絶縁板２、５と半田層３の間に形成され
た接合層である。
に示すパワー半導体モジュールが多用されている。即
ち、第３図中の１はCu等よりなるヒートシンクであり、
このヒートシンク１上には後記熱拡散板との絶縁を図る
ためのAl2O3からなる第１絶縁板２が半田層３を介して
接合されている。この絶縁板２上には熱拡散板４が半田
層３を介して接合されている。また、この熱拡散板４上
には実装すべき半導体素子との絶縁を図るためのAl2O3
からなる第２絶縁板５が半田層３を介して接合されてい
る。そして、これら絶縁板５上には半導体素子６が半田
層３を介してそれぞれ接合されている。なお、図中の７
は第１、第２の絶縁板２、５と半田層３の間に形成され
た接合層である。
しかしながら、従来のパワー半導体モジュールに用い
られる放熱基板は第３図に示す如く非常に複雑となる欠
点があった。これは第１、第２の絶縁板２、５を構成す
るAl2O3は耐電圧が100kv/cmと良好であるものの、熱伝
導率が20W/m・℃と低いために、放熱と絶縁の両機能をC
uとAl2O3の両材料を用いて満足させる必要があるからで
ある。
られる放熱基板は第３図に示す如く非常に複雑となる欠
点があった。これは第１、第２の絶縁板２、５を構成す
るAl2O3は耐電圧が100kv/cmと良好であるものの、熱伝
導率が20W/m・℃と低いために、放熱と絶縁の両機能をC
uとAl2O3の両材料を用いて満足させる必要があるからで
ある。
一方、最近、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム、炭
化珪素などの良熱伝導性セラミックスに注目し、これを
Cuからなる導電性部材と接合してモジュール基板を作る
ことが試みられている。しかしながら、これらセラミッ
クスはろう材に対する濡れ性が劣るため銀ろう材等でセ
ラミックスと導電性部材を接合しようとしても十分な接
合強度を得ることが困難である。また、仮に接合が行わ
れた場合でも、前記導電性部材とセラミックスの間での
熱膨張係数の差が大きいため、加熱、冷却の繰返しによ
りセラミックスに熱応力が残存する。その結果、該熱応
力によりセラミックスに熱疲労が生じ、短期間の加熱、
冷却の繰返しによりセラミックスにクラックが発生する
問題があった。
化珪素などの良熱伝導性セラミックスに注目し、これを
Cuからなる導電性部材と接合してモジュール基板を作る
ことが試みられている。しかしながら、これらセラミッ
クスはろう材に対する濡れ性が劣るため銀ろう材等でセ
ラミックスと導電性部材を接合しようとしても十分な接
合強度を得ることが困難である。また、仮に接合が行わ
れた場合でも、前記導電性部材とセラミックスの間での
熱膨張係数の差が大きいため、加熱、冷却の繰返しによ
りセラミックスに熱応力が残存する。その結果、該熱応
力によりセラミックスに熱疲労が生じ、短期間の加熱、
冷却の繰返しによりセラミックスにクラックが発生する
問題があった。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、放熱性及び、熱疲労特性が優れた良熱伝導性基
板を提供しようとするものである。
もので、放熱性及び、熱疲労特性が優れた良熱伝導性基
板を提供しようとするものである。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、良熱伝導性セラミックスに多孔質の粒子分
散強化型複合部材を、厚さ0.5〜10μｍのろう材層を介
し接合してなることを特徴とする良熱伝導性基板であ
る。
散強化型複合部材を、厚さ0.5〜10μｍのろう材層を介
し接合してなることを特徴とする良熱伝導性基板であ
る。
上記セラミックスとしては、例えば窒化アルミニウ
ム、炭化珪素を挙げることができる。
ム、炭化珪素を挙げることができる。
上記多孔質粒子分散複合部材としては、マトリックス
金属に例えば銅またはアルミニウムを、分散粒子に例え
ば酸化ジルコニウム、二酸化セレン、二酸化チタン、二
酸化珪素、酸化ナトリウム、アルミナ、窒化アルミニウ
ム、炭化珪素、窒化ホウ素、酸化ベリリウムの少なくと
も１種を用いたものである。
金属に例えば銅またはアルミニウムを、分散粒子に例え
ば酸化ジルコニウム、二酸化セレン、二酸化チタン、二
酸化珪素、酸化ナトリウム、アルミナ、窒化アルミニウ
ム、炭化珪素、窒化ホウ素、酸化ベリリウムの少なくと
も１種を用いたものである。
上記多孔質粒子分散複合部材は、空孔率が15体積％以
下で、粒子分散率が１〜12体積％の粒子分散率を有する
ことが望ましい。この理由は、空孔率が15体積％を越え
ると、多孔質粒子分散複合部材の熱伝導率が低下し良熱
伝導性が要求される基板として使用する上で好ましくな
い。また、粒子分散量を１体積％未満にすると均一な空
孔分布を得るのが困難になり、熱疲労特性を低下する恐
れがあり、かといってその分散量が12体積％を越える
と、材質が堅くなり、接合後の冷却過程でセラミックス
にクラックが生じたりあるいは熱疲労特性が著しく低下
する。より好ましく粒子分散量は、５〜９体積％であ
る。
下で、粒子分散率が１〜12体積％の粒子分散率を有する
ことが望ましい。この理由は、空孔率が15体積％を越え
ると、多孔質粒子分散複合部材の熱伝導率が低下し良熱
伝導性が要求される基板として使用する上で好ましくな
い。また、粒子分散量を１体積％未満にすると均一な空
孔分布を得るのが困難になり、熱疲労特性を低下する恐
れがあり、かといってその分散量が12体積％を越える
と、材質が堅くなり、接合後の冷却過程でセラミックス
にクラックが生じたりあるいは熱疲労特性が著しく低下
する。より好ましく粒子分散量は、５〜９体積％であ
る。
上記ろう材層としては、例えばAg−Cu−Ti系、Ag−Ti
系、Cu−Mn系、Al−Si系のいずれかの金属合金等を用い
ることができる。なお、かかるろう材層は金属箔の積層
物、合金箔、合金粉末、蒸着膜等の形態で使用できる。
また、前記ろう材層の厚さを限定した理由は、その厚さ
を0.5μｍ未満にするとセラミックスと多孔質粒子分散
複合部材が均一に接合されず、かといってその厚さが10
μｍを越えるとろう材自身の剛性及び高い熱膨張率によ
る熱歪みのため熱応力が残存し、前記ろう材層と接合さ
れているセラミックスにクラックが生じる。
系、Cu−Mn系、Al−Si系のいずれかの金属合金等を用い
ることができる。なお、かかるろう材層は金属箔の積層
物、合金箔、合金粉末、蒸着膜等の形態で使用できる。
また、前記ろう材層の厚さを限定した理由は、その厚さ
を0.5μｍ未満にするとセラミックスと多孔質粒子分散
複合部材が均一に接合されず、かといってその厚さが10
μｍを越えるとろう材自身の剛性及び高い熱膨張率によ
る熱歪みのため熱応力が残存し、前記ろう材層と接合さ
れているセラミックスにクラックが生じる。
（作用） 本発明によれば、多孔質粒子分散複合部材と良熱伝導
性セラミックスとをろう材層を介して接合することによ
って、この複合部材がセラミックスとろう材層を介して
良好に濡れるため、十分な接合強度を持った良熱伝導性
基板を得ることができる。
性セラミックスとをろう材層を介して接合することによ
って、この複合部材がセラミックスとろう材層を介して
良好に濡れるため、十分な接合強度を持った良熱伝導性
基板を得ることができる。
また、前記ろう材層の厚みを0.5〜10μｍに規定する
ことによって、セラミックスとろう材の間の熱膨張差に
よる熱歪みに起因する熱応力の発生を抑制することがで
きる。しかもセラミックスに対して多孔質粒子分散複合
部材をろう材層を介して接合することによって、該セラ
ミックスと複合部材間の熱膨張差に起因する熱応力を該
複合部材中に存在する空孔により吸収できる。その結
果、加熱、冷却の繰返しによって良熱伝導性セラミック
スにクラックが発生するのを防止することができ、熱疲
労特性に優れた良熱伝導性基板を得ることができる。
ことによって、セラミックスとろう材の間の熱膨張差に
よる熱歪みに起因する熱応力の発生を抑制することがで
きる。しかもセラミックスに対して多孔質粒子分散複合
部材をろう材層を介して接合することによって、該セラ
ミックスと複合部材間の熱膨張差に起因する熱応力を該
複合部材中に存在する空孔により吸収できる。その結
果、加熱、冷却の繰返しによって良熱伝導性セラミック
スにクラックが発生するのを防止することができ、熱疲
労特性に優れた良熱伝導性基板を得ることができる。
（実施例） 以下、本発明を半導体モジュールに適応した例につい
て図面を参照し説明する。
て図面を参照し説明する。
実施例１ 厚さ0.8mm、外径16mmで密度が92％、Al2O3分散量が4.
5体積％のCu−Al2O3粒子分散複合部材及び厚さ3mm、外
径13mmのAlN基体をジクロロメタン及びアセトンで脱脂
洗浄した。つづいてこれらAlN基体と複合部材の間に１
μmTi箔及び３μmAg箔を介在させ、２×10-5torrの真空
度に保持した後、ホットプレス中にセットした。ひきつ
づき、AlN基体と前記Cu複合部材の間に上下方向から0.1
Kg/mm2の圧力を加え高周波加熱により接合部を850℃に
６分間保持してAg−Cu−Ti合金融液を生成し前記AlN基
体と複合部材を接合した後、アルゴンガス雰囲気中で冷
却した。こうした工程により、第１図に示すようにAlN
基体11にCu−Al2O3粒子分散複合部材12がAg−Cu−Ti合
金ろう材層13で接合された半導体モジュール14を得た。
次いで、第２図に示すように前記基板14の粒子分散複合
部材12にPb−Sn系半田層15を介して半導体素子16を実装
して半導体モジュールを製造した。
5体積％のCu−Al2O3粒子分散複合部材及び厚さ3mm、外
径13mmのAlN基体をジクロロメタン及びアセトンで脱脂
洗浄した。つづいてこれらAlN基体と複合部材の間に１
μmTi箔及び３μmAg箔を介在させ、２×10-5torrの真空
度に保持した後、ホットプレス中にセットした。ひきつ
づき、AlN基体と前記Cu複合部材の間に上下方向から0.1
Kg/mm2の圧力を加え高周波加熱により接合部を850℃に
６分間保持してAg−Cu−Ti合金融液を生成し前記AlN基
体と複合部材を接合した後、アルゴンガス雰囲気中で冷
却した。こうした工程により、第１図に示すようにAlN
基体11にCu−Al2O3粒子分散複合部材12がAg−Cu−Ti合
金ろう材層13で接合された半導体モジュール14を得た。
次いで、第２図に示すように前記基板14の粒子分散複合
部材12にPb−Sn系半田層15を介して半導体素子16を実装
して半導体モジュールを製造した。
比較例１ 導電性部材として純Cuを用いた以外、実施例１と同じ
構造の良熱伝導性基板を組立てた。また、この基板を用
いて実施例１と同様な半導体モジュールを製造した。
構造の良熱伝導性基板を組立てた。また、この基板を用
いて実施例１と同様な半導体モジュールを製造した。
しかして、本実施例１及び比較例１の半導体モジュー
ルはAlN基板に対し導電性部材が良好に接合されてい
た。
ルはAlN基板に対し導電性部材が良好に接合されてい
た。
また、実施例１及び比較例１の半導体モジュールにつ
いて、半導体素子からAlN基体への熱伝導率を測定し
た。その結果、実施例１の半導体モジュールは84W/k・c
mであり、比較例１の半導体モジュールでは88W/k cmで
ありいずれの半導体モジュールにおいても半導体素子か
らの多量の熱を導電性部材及びAlN基体を通して良好に
放出できることが確認された。
いて、半導体素子からAlN基体への熱伝導率を測定し
た。その結果、実施例１の半導体モジュールは84W/k・c
mであり、比較例１の半導体モジュールでは88W/k cmで
ありいずれの半導体モジュールにおいても半導体素子か
らの多量の熱を導電性部材及びAlN基体を通して良好に
放出できることが確認された。
更に、実施例１及び比較例１の半導体モジュールにつ
いて室温から200℃までの加熱、冷却を繰返す熱疲労試
験を行なった。その結果、導電性部材として純Cu板を用
いた比較例１の半導体モジュールでは、51回の熱疲労試
験回数でAlN基体にクラックが発生した。これに対し、
本実施例１のように導電性部材としてCu−Al2O3粒子分
散複合部材を用いた半導体モジュールでは1100回以上の
熱疲労試験回数においてもAlN基体の異常は認められな
かった。
いて室温から200℃までの加熱、冷却を繰返す熱疲労試
験を行なった。その結果、導電性部材として純Cu板を用
いた比較例１の半導体モジュールでは、51回の熱疲労試
験回数でAlN基体にクラックが発生した。これに対し、
本実施例１のように導電性部材としてCu−Al2O3粒子分
散複合部材を用いた半導体モジュールでは1100回以上の
熱疲労試験回数においてもAlN基体の異常は認められな
かった。
実施例２〜５ 直径13mm、厚さ3mmのAlN製円板と下記第１表に示す組
成等を有する多孔質粒子分散複合部材（導電性部材）と
の間に図第１表に示すろう材層を介在させた後これらを
1Kg/cm2の圧力を加えながら、５×10-5torr、860℃×６
分間の条件で保持した。その後、アルゴンガス中で冷却
して４種の良熱伝導性基板を製造した。
成等を有する多孔質粒子分散複合部材（導電性部材）と
の間に図第１表に示すろう材層を介在させた後これらを
1Kg/cm2の圧力を加えながら、５×10-5torr、860℃×６
分間の条件で保持した。その後、アルゴンガス中で冷却
して４種の良熱伝導性基板を製造した。
しかして、本実施例２〜５の良熱伝導性基板について
室温から250℃までの加熱、冷却を繰返す熱疲労試験を
行なった。その結果を同第１表に併記した。なお、第１
表中には、導電性部材として分散粒子（Al2O3）の分散
量が１〜10体積％の範囲を外れる多孔質粒子分散複合部
材を用いた良熱伝導性基板（参照例1,2）、分散粒子（A
l2O3）の分散量が１〜10体積％の範囲内の多孔質粒子分
散複合部材を用いると共に厚さが10μｍを越えるろう材
層を用いた良熱伝導性基板（参照例３）、導電性部材に
純Cuを用いた良熱伝導性基板（比較例２）の夫々の熱疲
労試験結果も併記した。
室温から250℃までの加熱、冷却を繰返す熱疲労試験を
行なった。その結果を同第１表に併記した。なお、第１
表中には、導電性部材として分散粒子（Al2O3）の分散
量が１〜10体積％の範囲を外れる多孔質粒子分散複合部
材を用いた良熱伝導性基板（参照例1,2）、分散粒子（A
l2O3）の分散量が１〜10体積％の範囲内の多孔質粒子分
散複合部材を用いると共に厚さが10μｍを越えるろう材
層を用いた良熱伝導性基板（参照例３）、導電性部材に
純Cuを用いた良熱伝導性基板（比較例２）の夫々の熱疲
労試験結果も併記した。
上記第１表から明らかな如く、導電性部材に多孔質粒
子分散複合部材を用いた参照例１〜３は導電性部材に純
Cuを用いた比較例２に比べて、クラック発生に至るまで
の熱疲労試験回数が多くなり、良好な熱疲労特性を示し
ていることがわかる。また、本実施例２〜５の良熱伝導
性基板は、粒子分散量が1.0〜12体積％の範囲を外れる
参照例１〜２及び10μｍより厚いろう材層を用いた参照
例３の良熱伝導性基板に比べて、前記熱疲労試験回数が
格段に多くなり、より良好な熱疲労特性を有することが
わかる。
子分散複合部材を用いた参照例１〜３は導電性部材に純
Cuを用いた比較例２に比べて、クラック発生に至るまで
の熱疲労試験回数が多くなり、良好な熱疲労特性を示し
ていることがわかる。また、本実施例２〜５の良熱伝導
性基板は、粒子分散量が1.0〜12体積％の範囲を外れる
参照例１〜２及び10μｍより厚いろう材層を用いた参照
例３の良熱伝導性基板に比べて、前記熱疲労試験回数が
格段に多くなり、より良好な熱疲労特性を有することが
わかる。
［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば放熱性及び熱疲労
特性に優れ、パワー半導体モジュール基板等に有用な良
熱伝導性基板を提供することができる。
特性に優れ、パワー半導体モジュール基板等に有用な良
熱伝導性基板を提供することができる。
第１図は本発明の一実施例を示すパワー半導体モジュー
ル基板を示す断面図、第２図は第１図の多孔質粒子分散
複合部材に半導体素子を実装した半導体モジュールを示
す断面図、第３図は従来の半導体モジュールを示す断面
図である。 11……AlN基体、12……多孔質粒子分散複合部材、 13……合金ろう材層、14……半導体モジュール基板、 15……半田層、16……半導体素子。
ル基板を示す断面図、第２図は第１図の多孔質粒子分散
複合部材に半導体素子を実装した半導体モジュールを示
す断面図、第３図は従来の半導体モジュールを示す断面
図である。 11……AlN基体、12……多孔質粒子分散複合部材、 13……合金ろう材層、14……半導体モジュール基板、 15……半田層、16……半導体素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０５Ｋ 1/03 ６１０ Ｄ 7511−4Ｅ Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｍ (72)発明者 竹田 博光 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−202945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−73365（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−123924（ＪＰ，Ｕ)
Claims (5)
- 【請求項１】良熱伝導性セラッミックスに、多孔質の粒
子分散強化型複合部材を厚さ0.5〜10μｍのろう材層を
介し接合してなることを特徴とする良熱伝導性基板。 - 【請求項２】良熱伝導性セラミックスが、窒化アルミニ
ウム、炭化珪素であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の良熱伝導性基板。 - 【請求項３】多孔質の粒子分散強化型複合部材は、マト
リックス金属がアルミニウム又は銅からなることを特徴
とする特許請求範囲第１項記載の良熱伝導性基板。 - 【請求項４】多孔質の粒子分散強化型複合部材は、空孔
率が15体積％以下であり、粒子分散量が１〜12体積％で
あることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の良熱伝
導性基板。 - 【請求項５】ろう材層がAg−Cu−Ti系、Ag−Ti系、Cu−
Mn系、Al−Si系のいずれかの金属合金よりなることを特
徴とする特許請求範囲第１項記載の良熱伝導性基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16905487A JPH0834265B2 (ja) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | 良熱伝導性基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16905487A JPH0834265B2 (ja) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | 良熱伝導性基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6412559A JPS6412559A (en) | 1989-01-17 |
| JPH0834265B2 true JPH0834265B2 (ja) | 1996-03-29 |
Family
ID=15879480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16905487A Expired - Lifetime JPH0834265B2 (ja) | 1987-07-07 | 1987-07-07 | 良熱伝導性基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0834265B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0422558B1 (en) * | 1989-10-09 | 2001-03-28 | Mitsubishi Materials Corporation | Ceramic substrate used for fabricating electric or electronic circuit |
| EP0455229B1 (en) * | 1990-05-02 | 1997-10-15 | Mitsubishi Materials Corporation | Ceramic substrate used for an electric or electronic circuit |
| JPH08288095A (ja) * | 1995-04-19 | 1996-11-01 | Komatsu Ltd | プラズマアークトーチ用電極 |
-
1987
- 1987-07-07 JP JP16905487A patent/JPH0834265B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6412559A (en) | 1989-01-17 |
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