JPH10223810A - 放熱用基板及びその製造方法 - Google Patents

放熱用基板及びその製造方法

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JPH10223810A
JPH10223810A JP9023889A JP2388997A JPH10223810A JP H10223810 A JPH10223810 A JP H10223810A JP 9023889 A JP9023889 A JP 9023889A JP 2388997 A JP2388997 A JP 2388997A JP H10223810 A JPH10223810 A JP H10223810A
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heat
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Yoichiro Baba
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気絶縁層を備える放熱用基板であって、放
熱性、線膨張率の整合性及びハンダ付け性が良く、しか
も製造コストの安い放熱用基板及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 放熱用基板10は、放熱板11と絶縁基
板12から構成される。この絶縁基板12は、炭化シリ
コン(SiC)、銅(Cu)、鉛(Pb)の混合練和物
の焼成体により2.70mm厚に形成される。また、絶
縁基板12の上下面には、ハンダ14との濡れ性を良く
するためCu層13をそれぞれ0.15mm厚で形成す
る。そして、この絶縁基板12は、その上下においてハ
ンダ14によりそれぞれ電力用半導体素子21及び放熱
板11に接続される。また、放熱板11は、アルミニウ
ム(Al),銅(Cu)等の金属板により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の放熱
用基板に係り、特に電気絶縁層を有する放熱用基板及び
その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタ)、SIT(静電誘導トランジスタ)の
ような動作時に多量の発熱を伴なう電力用半導体素子を
実装する際には、放熱用基板が用いられる。
【0003】一般に、この放熱用基板においては、その
特性として、放熱性(熱伝導率)の良さ、熱膨張率の整
合性、ハンダ付け性等といったものが重要視される。さ
らに、前記電力用半導体素子は通常その下面に電極を有
しており、また、放熱用基板の熱交換体(放熱体)は通
常アルミニウム(Al)等の金属導体で構成されている
ため、同素子を放熱体上に直接実装することはできな
い。そのため、電力用半導体素子の放熱用基板の構成と
しては、前記特性に加え、電力用半導体素子と放熱体の
間に電気絶縁層を備えているものが一般的である(例え
ば、特開昭62−29151号公報に記載された「半導
体装置の冷却モジュール」)。
【0004】この公報記載の冷却モジュールを図4に示
す。この冷却モジュール100は、多層配線基板上に搭
載された複数の半導体チップを個別に水冷できる構造を
有しており、冷却水を供給及び排出できるダクトを形成
したハウジング101と、半導体チップ121に直接は
んだ付けする冷却ブロック110と、ハウジング101
と冷却ブロック110をフレキシブルかつ気密に結合す
るべローズ102等から構成されている。
【0005】ここで冷却ブロック110は、図中上位か
ら下位に向かって、熱交換体(放熱体)111、複合材
の板112及び炭化シリコン(SiC)セラミック11
2aを備える構成となっている。
【0006】このうち、熱交換体(放熱体)111は、
金属製で、ブロック内部に熱交換をよくするための水冷
通路用の微細な穴が多数設けられている。また、複合材
の板112は、炭素繊維と銅あるいはアルミニウム等の
熱伝導性のよい金属とを混合して、熱膨張率を下げたも
のである。これは、熱交換体(放熱体)111とSiC
セラミック112aの間に挿入され、熱交換体(放熱
体)111とSiCセラミック112aの熱膨張率の差
を吸収して、熱応力による冷却ブロック110の破壊を
防止するものである。
【0007】また、SiCセラミック112aは、熱伝
導の良い電気絶縁体を構成し、その下面には、冷却ブロ
ック110をハンダ114を介して半導体チップ121
に結合させるためのメタライズ層113が形成されてい
る。
【0008】これら冷却ブロック110を構成する熱交
換体(放熱体)111、複合材の板112及びSiCセ
ラミック112aは、銅(Cu)−マンガン(Mn)や
アルミニウム(Al)−シリコン(Si)系等のろう材
103を用いて一体物として接合形成されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報記
載における冷却ブロック110(放熱用基板)は上述の
ように、熱交換体(放熱体)111、複合材の板112
及びSiCセラミック112aの3層から構成される。
そのため、その製造工程が多く、また設備コスト及び製
造コストが高いという不都合があった。
【0010】また、こうした放熱用基板としては他に、
特開昭63−120448公報にみられるように、低熱
膨張性金属繊維材料の素材に銅等の溶融金属を含浸させ
て製造するものなども知られている。しかし、この放熱
用基板の製造工程においては、基材成形と溶湯含浸の2
工程が必要であるため成形型と含浸設備が必要であり、
やはり設備コストが高いという不都合があった。
【0011】さらに前述したように、放熱用基板の特性
としては一般に、以下の3点が重要である。しかも、こ
の3点は半導体素子と放熱体との間に介在する絶縁基板
においても同様に重要である。
【0012】即ち、1つは放熱性の問題である。放熱性
は、絶縁基板においてその厚みと熱伝導率で決まる。厚
みは薄い方が良いが、曲げ強度が十分でないと薄くはで
きない。即ち、熱伝導率がより高く、かつ曲げ強度が大
きい絶縁基板が求められる。
【0013】2つ目は、線膨張率の問題である。これ
は、絶縁基板の上部及び下部構成物(例えば、ハンダ)
との差が小さい程良い。そうしないと、上部及び下部の
ハンダに熱応力による破壊が起こる。
【0014】3つ目は、ハンダ付け性である。絶縁基板
上部及び下部にハンダ付けを行うには、絶縁基板の上面
及び下面の平滑性が高くなくてはならない。凹凸があっ
ては、ハンダ付けの際に空気がトラップされボイド(空
隙)が生じる。ボイドは、熱応力集中や放熱の障害の原
因になる。
【0015】従って、上記の要求を満たすための絶縁基
板の特性仕様を示せば、以下のようになる。即ち、熱伝
導率300W/m・K以上、曲げ強度400Mpa以
上、厚さ3mm以上、線膨張率6.5×10-6/K以上
9.0×10-6/K以下、表面粗度R Z 0.5μm以下
となる。
【0016】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、電気絶縁層を備える
放熱用基板であって、放熱性、線膨張率の整合性及びハ
ンダ付け性が良く、しかも製造コストの安い放熱用基板
及びその製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1及び請求項6の放熱用基板及びその製造
方法では、低熱膨張材料粉体と高熱伝導性材料粉体との
混合物が焼結されたものとして放熱用基板を形成し、ま
た低熱膨張材料粉体と高熱伝導性材料粉体とを混合練和
する工程と、該混合練和によって得られた混合物を焼結
する工程とを備えて同放熱用基板を製造する。
【0018】上記請求項1及び請求項6の放熱用基板及
びその製造方法によれば、粉体の焼結により放熱用基板
を形成するため、含浸等の設備が不要となる。また、少
なくとも放熱性及び線膨張率の整合性が好適に維持され
る。
【0019】請求項2及び請求項7の放熱用基板及びそ
の製造方法では、前記低熱膨張材料が炭化シリコン(S
iC)であり、前記高熱伝導性材料が銅(Cu)である
として放熱用基板を形成し、また請求項6に記載の放熱
用基板の製造方法において、前記低熱膨張材料が炭化シ
リコン(SiC)であり、高熱伝導性材料が銅(Cu)
であるとして同放熱用基板を製造する。
【0020】上記請求項2及び請求項7の放熱用基板及
びその製造方法によれば、Cuの熱伝導率は良くSiC
の線膨張率は小さいため、放熱用基板の放熱性、線膨張
率の整合性を維持する上で好適である。
【0021】請求項3及び請求項8の放熱用基板及びそ
の製造方法では、前記混合物に更に鉛(Pb)を添加し
たものとして放熱用基板を形成し、また請求項7に記載
の放熱用基板の製造方法において、前記混合練和する工
程で鉛(Pb)を添加混合して同放熱用基板を製造す
る。
【0022】上記請求項3及び請求項8の放熱用基板及
びその製造方法によれば、混合物に更にPbを混合する
ことによりSiCとCuの濡れ性が向上する。また、P
bはSiCとCuの間隙に入り込み、充填材の役割を果
たすため、放熱用基板の強度が向上する。
【0023】請求項4及び請求項9の放熱用基板及びそ
の製造方法では、請求項1〜3のいずれかに記載の放熱
用基板において、前記焼結形成された混合物の表面に金
属箔層を形成し、また請求項8に記載の放熱用基板の製
造方法において、前記焼結した混合物の表面に金属箔層
を形成する工程を更に備えて同放熱用基板を製造する。
【0024】上記請求項4及び請求項9の放熱用基板及
びその製造方法によれば、混合物の表面に金属箔層を設
けることにより、機械的研磨が可能になり、混合物の表
面粗さを向上させることができる。そのため、この金属
箔層に電解メッキをした後はさらに表面粗さが改良さ
れ、良好なハンダ付けが可能になる。
【0025】請求項5及び請求項10の放熱用基板及び
その製造方法では、前記金属箔層は銅(Cu)層として
請求項4記載の放熱用基板を形成し、また請求項9に記
載の放熱用基板の製造方法において、前記金属箔層は銅
(Cu)層として同放熱用基板を製造する。
【0026】上記請求項5及び請求項10の放熱用基板
及びその製造方法によれば、混合物の表面にCu層を設
けることにより、機械的研磨が可能になる。そのため、
このCu層にメッキを施した後には、さらに良好なハン
ダ付けが可能になる。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した放熱用
基板の一実施形態を、図1及び図2に基づいて説明す
る。
【0028】図1の断面図に示すように、放熱用基板1
0は、大きくは放熱板11と絶縁基板12から構成され
る。この絶縁基板12の上下面には、ハンダとの濡れ性
を良くするため銅(Cu)層(金属箔層)13がそれぞ
れ0.15mm厚で形成されている。そして、この絶縁
基板12は、その上下においてハンダ14によりそれぞ
れ電力用半導体素子21及び放熱板11に接続されてい
る。この接続には、熱伝導の面から一般にハンダ14を
用いる。また、放熱板11は、アルミニウム(Al),
銅(Cu)等の金属板により構成されている。
【0029】上記絶縁基板12は、図2の拡大部12A
に示すように、炭化シリコン(SiC)12a、銅(C
u)12b、鉛(Pb)12cの焼成体により2.70
mmの厚さに形成されている。従って、絶縁基板12全
体では、前記両Cu層13とともに、3.00mmの厚
さに形成されることとなる。参考までに、その体積構成
比と各素材単体の線膨張率と熱伝導率を、下記の表1に
示す。
【0030】
【表1】 次に、以上のように構成された放熱用基板10の製造方
法を、図3に従って説明する。
【0031】まず、各々直径10μm以下のSiC、C
u、Pbの球状粉体を、表1に示した体積構成比に基づ
き体積比率63%、34%、3%で計量し、水を媒体と
して図示しない混練機により均一に混合練和する。そし
て、図3(a)に示すように、濡れた砂状の混練体30
を、絞り出し機31から台32の上に絞り出して所定の
大きさのシート状とする。さらに、このシート状混練体
30を、図示しない乾燥機の中で150℃の温度条件で
1時間乾燥させる。
【0032】次に、図3(b)に示すように、乾燥した
シート状混練体30を電気焼成炉33の台34上に設置
し、800℃の温度条件で15分間焼成する。以下、焼
成されたシート状混練体30を絶縁基板12とする。
【0033】次に、銅箔13を敷いた上に焼成シート
(絶縁基板)12を置き、さらに同シート12の上面に
銅箔13を被せる。そして、図3(c)に示すように、
電気焼成炉33の中で、ヒータ35により900℃に加
熱するとともに、加圧機36により2.5ton/cm
2 の圧力を加え圧延しながら20分間焼成する。
【0034】圧延、焼成後の焼成シート(絶縁基板)1
2の厚さは、前記したように、上層Cuは0.15mm
厚、中層SiC- Cu- Pbは2.70mm厚、下層C
uは0.15mm厚で、全体では3mm厚となる。この
焼成シート(絶縁基板)12を、図示しないダイサーも
しくはレーザ等のトリマで所定の面積に切り出す。
【0035】次に、図3(d)に示すように、研磨台3
7の上で研磨機38によって、焼成シート(絶縁基板)
12の両面をRZ 0.5μm以下に機械研磨する。そし
て、図示しない電解メッキ装置によって、前記上下研磨
面とも5μmの電解ニッケル(Ni)メッキをして仕上
げる。このCu層に電解Niメッキをした後はその表面
粗さがRZ 0.1μmの表面がえられ、良好なハンダ付
けが可能になる。最後に、この絶縁基板12の片面を、
ハンダにより放熱板11に接合して、放熱用基板10を
完成する。
【0036】上記した製造方法により製造された放熱用
基板10の特性を、前記特開昭63−120448公報
に記載された従来の放熱用基板と比較して、下記の表2
に示す。
【0037】
【表2】 以上説明した実施形態によって奏される効果について以
下に記載する。 (1)この放熱用基板10においては、放熱板11と電
力用半導体素子21の間に絶縁基板12の一層を設ける
だけで、放熱用基板10に要求される絶縁性、放熱性、
線膨張率の整合性及びハンダ付け性が実現できる。しか
も、製造工程が簡単で製造コストも安くできる。
【0038】(2)この放熱用基板10においては、粉
体の焼結により放熱用基板を形成するため、含浸等の設
備が不要となる。 (3)この放熱用基板10においては、SiC- Cu-
Pbを焼成加工としたためPbの均質分散が可能とな
る。
【0039】(4)この放熱用基板10においては、絶
縁基板12の上下両面にCu層を設けることにより同上
下両面の機械的研磨が可能になり、同絶縁基板12のC
u層表面においてRZ 0.5μmの表面作成が可能にな
る。そのため、このCu層表面に電解Niメッキをした
後はRZ 0.1μmの表面がえられ、同表面において良
好なハンダ付けが可能になる。
【0040】(5)PbはSiCとCuの濡れ性を向上
させ、またSiCとCuの間隙に入り込み、充填材の役
割を果たす。 なお、この発明は、次のように変更して具体化すること
も可能である。
【0041】(イ)上記実施形態では、絶縁基板12と
放熱板11を接合する手段としてハンダ14を使用する
構成を示したが、これに限定されるものではない。例え
ば前記接合手段として、絶縁基板12の線膨張率と整合
性の良い線膨張率を有するろう材を使用してもよい。
【0042】(ロ)上記実施形態では、絶縁基板12の
Cu層表面に電解Niメッキをした例を示したが、これ
に限定されるものではない。例えばCu層表面に電解ハ
ンダメッキ、電解金(Au)メッキ等をしてもよい。ま
た、メッキ方法は無電解メッキであってもよい。
【0043】(ハ)上記実施形態では、放熱用基板10
へ電力用半導体素子21を搭載する例を示したが、搭載
素子はこれに限定されるものではない。例えば高速マイ
クロプロセッサ素子等放熱を必要とするあらゆる半導体
素子が搭載できる。
【0044】さらに、前記実施形態により把握される技
術的思想について以下に記載する。 ・請求項4または5に記載の放熱用基板において、前記
金属箔層は電解メッキが施されてなることを特徴とする
放熱用基板。
【0045】・請求項9または10に記載の放熱用基板
の製造方法において、前記形成された金属箔層の表面に
電解メッキを施す工程を更に備えることを特徴とする放
熱用基板の製造方法。
【0046】この構成及び製造方法によれば、金属箔層
表面においてより良好なハンダ付けが可能になる。。
【0047】
【発明の効果】請求項1〜10に記載の発明によれば、
粉体の焼結により放熱用基板を形成するため含浸等の設
備が不要となり、その製造コストが安くなる。また、少
なくとも放熱性及び線膨張率の整合性が好適に維持され
る。
【0048】請求項2及び7に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、Cuの熱伝導率は良くSiCの線膨張
率は小さいため、放熱用基板の放熱性、線膨張率の整合
性を維持する上で好適である。
【0049】請求項3及び8に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、混合物にPbを入れることによりSi
CとCuの濡れ性が向上する。また、PbはSiCとC
uの間隙に入り込み充填材の役割を果たすため、放熱用
基板の強度が向上する。
【0050】請求項4及び9に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、混合物の表面の平滑化が可能となるた
め、混合物の表面への良好なハンダ付けが可能になる。
請求項5及び10に記載の発明によれば、上記効果に加
えて、混合物の表面にCu層を設けることにより、機械
的研磨が可能になる。そのため、このCu層にメッキを
施した後には、さらに良好なハンダ付けが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明にかかる放熱用基板の一実施形態を
示す概略断面図。
【図2】 絶縁基板12の部分拡大図を含む部分断面
図。
【図3】 絶縁基板12の製造工程を示す説明図。
【図4】 従来の放熱用基板の一例を示す部分断面図。
【符号の説明】
10…放熱用基板、12…絶縁基板、12a…SiC、
12b…Cu、12c…Pb、13…銅箔層。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低熱膨張材料粉体と高熱伝導性材料粉体と
    の混合物が焼結されて形成された放熱用基板。
  2. 【請求項2】前記低熱膨張材料が炭化シリコン(Si
    C)であり、前記高熱伝導性材料が銅(Cu)である請
    求項1に記載の放熱用基板。
  3. 【請求項3】前記混合物は、更に鉛(Pb)が添加され
    たものである請求項2記載の放熱用基板。
  4. 【請求項4】前記焼結形成された混合物は、その表面に
    金属箔層が形成されてなる請求項1〜3にいずれかに記
    載の放熱用基板。
  5. 【請求項5】前記金属箔層は銅(Cu)層である請求項
    4記載の放熱用基板。
  6. 【請求項6】低熱膨張材料粉体と高熱伝導性材料粉体と
    を混合練和する工程と、 該混合練和によって得られた混合物を焼結する工程とを
    備えることを特徴とする放熱用基板の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項6に記載の放熱用基板の製造方法に
    おいて、 前記低熱膨張材料が炭化シリコン(SiC)であり、高
    熱伝導性材料が銅(Cu)であることを特徴とする放熱
    用基板の製造方法。
  8. 【請求項8】請求項7に記載の放熱用基板の製造方法に
    おいて、 前記混合練和する工程で鉛(Pb)を添加混合すること
    を特徴とする放熱用基板の製造方法。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載の放熱用基板の製造方法
    において、 前記焼結した混合物の表面に金属箔層を形成する工程を
    更に備えることを特徴とする放熱用基板の製造方法。
  10. 【請求項10】 請求項9に記載の放熱用基板の製造方
    法において、 前記金属箔層は銅(Cu)層であることを特徴とする放
    熱用基板の製造方法。
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