JPH10270596A - ヒートシンク付セラミック回路基板 - Google Patents
ヒートシンク付セラミック回路基板Info
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Abstract
ミック回路基板を得る。 【解決手段】セラミック基板13の両面に第1及び第2
アルミニウム板11,12又は第1及び第2銅板がそれ
ぞれ積層接着された構造体14がアルミニウム11又は
銅板を介してヒートシンク16に接合される。構造体1
4とヒートシンク16が両面にAl融点降下層17aが
形成された純度99重量%以上のアルミニウム箔17を
介して接合される。Al融点降下層がAl−Si合金
層、Al−Cu合金層、Al−Mg合金層、Al−Ni
合金層、Al−Ag合金層又はAl−Ce合金層であ
る。構造体及びヒートシンクのそれぞれの接合面がNi
めっき11a,16aされる。セラミック基板がAl
N,Si3N4又はAl2O3により形成され、ヒートシン
クがCu、Al又はAlSiC系複合材料により形成さ
れる。アルミニウム箔は5〜500μmの厚さを有す
る。
Description
用基板等の半導体装置のセラミック回路基板に関する。
更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を
放散させるヒートシンクを有するセラミック回路基板に
関するものである。
て、図6に示すように、セラミック基板3がAlNによ
り形成され、このセラミック基板3の両面に第1及び第
2銅板1,2が積層接着された構造体4を、AlSiC
複合材料により形成されたヒートシンク8の上面にはん
だ6を介して接合されたものが知られている。この回路
基板9では、第1及び第2銅板1,2のセラミック基板
3への接合は第1銅板1の上にセラミック基板3及び第
2銅板2を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kg
f/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃
に加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により構造
体4が作られ、構造体4の第2銅板2はエッチンクによ
り所定のパターンの回路となる。この後、上面にNiめ
っきが形成されたヒートシンク8が構造体4の第1銅板
1にはんだ6を介して接合され、第2銅板2上に半導体
チップ等(図示せず)が搭載される。このように構成さ
れたセラミック回路基板では、半導体チップ等が発した
熱は第2銅板2、セラミック基板3、第1銅板1及びは
んだ6を介してヒートシンク8の表面から放散されるよ
うになっている。
ラミック回路基板は、ヒートシンク8と第1銅板1の接
合に使用するはんだ6の熱抵抗が比較的大きい不具合が
ある。このため、半導体チップ等から発した熱をヒート
シンク8から有効に外部に放散することができない未だ
解決すべき問題点が残存していた。この点を解消するた
めに熱抵抗値の小さい金属を介してヒートシンク8と第
1銅板1をロー付することも考えられるが、このような
金属のロー付は一般的に比較的高温により行う必要があ
り、高温でロー付することに起因する接合後のヒートシ
ンク8、第1若しくは第2銅板1,2及びセラミック基
板3の内部応力の増大を招来し、半導体チップ等の発熱
及び非発熱により基板温度が高温と低温との間で繰返し
変化することにより、セラミック基板3等にクラックが
生じる恐れがあった。本発明の目的は、放熱特性を向上
させるヒートシンク付セラミック回路基板を提供するこ
とにある。本発明の別の目的は、熱サイクル寿命が長い
ヒートシンク付セラミック回路基板を提供することにあ
る。
図1及び図2に示すように、セラミック基板13の両面
に第1及び第2アルミニウム板11,12又は第1及び
第2銅板がそれぞれ積層接着された構造体14がアルミ
ニウム11又は銅板を介してヒートシンク16に接合さ
れたヒートシンク付セラミック回路基板の改良である。
その特徴ある構成は、構造体14とヒートシンク16が
両面にAl融点降下層17aが形成された純度99重量
%以上のアルミニウム箔17を介して接合されたところ
にある。
明であって、Al融点降下層17aがAl−Si合金
層、Al−Cu合金層、Al−Mg合金層、Al−Ni
合金層、Al−Ag合金層又はAl−Ce合金層である
ヒートシンク付セラミック回路基板である。この請求項
1又は2に係る回路基板では、従来のろう材やはんだの
代りに熱伝導率の高い純度99重量%以上のアルミニウ
ム箔17を用いてヒートシンク16をアルミニウム板1
1又は銅板に接合するので放熱特性が向上する。また、
Al融点降下層17aによりAlの融点より低い温度で
接合できる。更に、アルミニウム箔17は変形抵抗が小
さいので、接合後の回路基板に熱サイクルを付加しても
セラミック基板13にクラックが発生することがなく、
その寿命を長くすることができる。
係る発明であって、図1に示すように、構造体14及び
ヒートシンク16のアルミニウム箔17とのそれぞれの
接合面がNiめっき11a,16aされたヒートシンク
付セラミック回路基板である。この請求項3に係る回路
基板では、Niめっき11a,16aを施すことによ
り、ヒートシンク16をアルミニウム板11又は銅板に
比較的低温で容易に接合できる。
いずれかに係る発明であって、セラミック基板13がA
lN,Si3N4又はAl2O3により形成され、ヒートシ
ンク16がCu、Al又はAlSiC系複合材料により
形成されたヒートシンク付セラミック回路基板である。
この請求項4に係る回路基板では、セラミック基板13
としてAlNを用いると熱伝導率及び耐熱性が向上し、
Si3N4を用いると強度及び耐熱性が向上し、Al2O3
を用いると耐熱性が向上する。また、ヒートシンク16
をCu、Al又はAlSiC系複合材料により形成する
ことにより、半導体チップ等から発した熱をヒートシン
ク16から有効に外部に放散する。
いずれかに係る発明であって、アルミニウム箔17が5
〜500μmの厚さを有するヒートシンク付セラミック
回路基板である。アルミニウム箔17が5μm未満であ
ると構造体14とヒートシンク16との接合が困難にな
り、アルミニウム箔17が500μmを越えると熱抵抗
値が上昇する。
図面に基づいて詳しく説明する。 (a) 構造体 図1及び図5に示すように、構造体14,24はセラミ
ック基板13,23の両面に第1及び第2アルミニウム
11,12板又は第1及び第2銅板21,22がそれぞ
れ積層接着されて構成され、セラミック基板13,23
はAlN,Si3N4又はAl2O3により形成される。図
1に示すように、セラミック基板13の両面に第1及び
第2アルミニウム板11,12を積層接着するには、第
1アルミニウム板11の上にAl−Si系ろう材(図示
せず)、セラミック基板13、Al−Si系ろう材(図
示せず)及び第2アルミニウム板12を重ねた状態で、
これらに荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中
で600〜630℃に加熱することにより行われる。積
層接着後、第2アルミニウム板12はエッチングにより
所定のパターンの回路となる。Al−Si系ろう材は9
0〜95重量%のAlと5〜10重量%のSiとの合金
が好ましい。図5に示すように、セラミック基板23の
両面に第1及び第2銅板21,22を積層接着するに
は、第1銅板21の上にセラミック基板13及び第2銅
板22を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kgf
/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃に
加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により作ら
れ、構造体24の第2銅板22はエッチンクにより所定
のパターンの回路となる。
料により形成される。ヒートシンクがAlSiC系複合
材料である場合には、SiCの焼成前の粉体を加圧した
状態で、この粉体間の隙間にAl合金を流込むことによ
りAlSiC系複合材料が形成される。
ム箔であって、図2に示すように、両面にAl融点降下
層17a,17aが形成される。アルミニウム箔17は
5〜500μmの厚さを有し、Al融点降下層17aに
はAl−Si合金層、Al−Cu合金層、Al−Mg合
金層、Al−Ni合金層、Al−Ag合金層又はAl−
Ce合金層が挙げられる。なお、Al融点降下層17a
のアルミニウム箔17への形成は図2に示すようにAl
融点降下層17aをアルミニウム箔17にコーティング
して形成してもよく、図3に示すように、微粒子形状の
Al融点降下層17aをアルミニウム箔17に蒸着等に
より形成しても良い。
は第1銅板への接合 図4に示すように、ヒートシンク16の上に第1アルミ
ニウム板11又は第2銅板21を下側にした構造体1
4,24を重ね、これらに荷重3kgf/cm2を加
え、真空中で520〜570℃に加熱保持することによ
り、アルミニウム箔の両側に形成されたAl融点降下層
17a中のAl合金が溶融してアルミニウム箔17を介
してヒートシンク16が構造体14,24に接合され
る。なお、第1アルミニウム板11又は第1銅板21を
エッチングにより所定のパターンの回路とし、第2アル
ミニウム板12又は第2銅板22にアルミニウム箔17
を介してヒートシンク16を接合してもよい。
説明する。 <実施例1>図1に示すように、縦、横及び厚さがそれ
ぞれ50mm、50mm及び0.6mmのAlNにより
形成されたセラミック基板13と、縦、横及び厚さがそ
れぞれ30mm、30mm及び0.4mmのAlにより
形成された第1及び第2アルミニウム板11,12と、
縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm及び0.
03mmのAl−7.5重量%Si合金であるAl−S
i系ろう材(図示せず)とを用意し、構造体14を製作
した。
ウム板11の上にAl−Si系ろう材、セラミック基板
13、Al−Si系ろう材及び第2アルミニウム板12
を重ねた状態で、これらに荷重2kgf/cm2を加
え、真空中で630℃に加熱することにより、セラミッ
ク基板13の両面に第1及び第2アルミニウム板11,
12を積層接着した。積層接着後、第2アルミニウム板
12をエッチングにより所定のパターンの回路として構
造体14を得た。次に、この構造体14とともに縦、横
及び厚さがそれぞれ70mm、70mm及び2.0mm
のAlSiC系複合材料により形成されたヒートシンク
16と、両面にAl融点降下層17aが形成された縦、
横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm及び0.1m
mの純度99重量%以上のアルミニウム箔17を用意し
た。Al融点降下層17aにはAl−7.5重量%Si
合金をコーティングによりアルミニウム箔17の両表面
に0.05mmの厚さで形成した。
ヒートシンク16のアルミニウム箔17とのそれぞれの
接合面には厚さ0.005mmのNiめっき11a,1
6aをそれぞれ施し、ヒートシンク16の上にアルミニ
ウム箔17を介して第1アルミニウム板11を下側にし
た構造体14とを重ねた。これらに荷重2kgf/cm
2を加え、真空中で530℃に加熱して2時間放置する
ことによりヒートシンク16を第1アルミニウム板11
にアルミニウム箔17を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板10を得た。
の構造体及びヒートシンクを用意した。次に、図3に示
すように、両面にAl融点降下層17aが形成された
縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm及び0.
2mmの純度99重量%以上のアルミニウム箔17を用
意した。Al融点降下層17aは、Al−7.5重量%
Si合金粉末(粒径1.0μm)をアルミニウム箔17
上に圧着した。構造体の第1アルミニウム板及びヒート
シンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ
0.003mmのNiめっきをそれぞれ施し、ヒートシ
ンクの上にアルミニウム箔を介して第1アルミニウム板
を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重2kgf
/cm2を加え、真空中で520℃に加熱した状態で2
時間放置することによりヒートシンクを第1アルミニウ
ム板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板を得た。
アルミニウム板及びヒートシンクのアルミニウム箔との
それぞれの接合面にNiめっきを施さないこと以外、実
施例1と同じヒートシンク付セラミック回路基板を製造
した。即ち、構造体の第1アルミニウム板及びヒートシ
ンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には何の処
理もせずに、ヒートシンクの上に第1実施例と同一のア
ルミニウム箔を介して第1アルミニウム板を下側にした
構造体とを重ね、これらに荷重2kgf/cm2を加
え、真空中で520℃に加熱した状態で2時間放置する
ことによりヒートシンクを第1アルミニウム板にアルミ
ニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック回
路基板を得た。
板にSi3N4を使用した以外実施例1と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのSi3N4により形成されたセラ
ミック基板と、実施例1と同一の第1及び第2アルミニ
ウム板及びAl−Si系ろう材を用意し、第1アルミニ
ウム板の上にAl−Si系ろう材、Si3N4からなるセ
ラミック基板、Al−Si系ろう材及び第2アルミニウ
ム板を重ねた状態で、これらに荷重3kgf/cm2を
加え、真空中で640℃に加熱することにより、セラミ
ック基板の両面に第1及び第2アルミニウム板を積層接
着した。積層接着後、第2アルミニウム板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。
がそれぞれ70mm、70mm及び2.0mmのAlに
より形成されたヒートシンクと、両面にAl−Cu合金
からなるAl融点降下層が形成された縦、横及び厚さが
それぞれ30mm、30mm及び0.1mmの純度99
重量%以上のアルミニウム箔17を用意した。Al−C
u合金はAl−5重量%Cu合金をコーティングにより
アルミニウム箔17の両表面に0.008mmの厚さで
形成した。構造体の第1アルミニウム板及びヒートシン
クのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ0.
005mmのNiめっきをそれぞれ施し、Alからなる
ヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第1アルミ
ニウム板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重
3kgf/cm2を加え、真空中で570℃に加熱して
2時間放置することによりヒートシンクを第1アルミニ
ウム板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク
付セラミック回路基板を得た。
板にAl2O3を使用した以外実施例1と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのAl2O3により形成されたセラ
ミック基板と、実施例1と同一の第1及び第2アルミニ
ウム板及びAl−Si系ろう材を用意し、第1アルミニ
ウム板の上にAl−Si系ろう材、Al2O3からなるセ
ラミック基板、Al−Si系ろう材及び第2アルミニウ
ム板を重ねた状態で、これらに荷重2kgf/cm2を
加え、真空中で630℃に加熱することにより、セラミ
ック基板の両面に第1及び第2アルミニウム板を積層接
着した。積層接着後、第2アルミニウム板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。
がそれぞれ70mm、70mm及び2mmのCuにより
形成されたヒートシンクと、両面にAl−Mg合金から
なるAl融点降下層が形成された縦、横及び厚さがそれ
ぞれ30mm、30mm及び0.2mmの純度99重量
%以上のアルミニウム箔17を用意した。Al−Mg合
金はAl−6重量%Mg合金をコーティングによりアル
ミニウム箔17の両表面に0.004mmの厚さで形成
した。構造体の第1アルミニウム板及びヒートシンクの
アルミニウム箔とのそれぞれの接合面には厚さ0.00
8mmのNiめっきをそれぞれ施し、Cuからなるヒー
トシンクの上にアルミニウム箔を介して第1アルミニウ
ム板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重3k
gf/cm2を加え、真空中で520℃に加熱して3時
間放置することによりヒートシンクを第1アルミニウム
板にアルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セ
ラミック回路基板を得た。
び厚さがそれぞれ50mm、50mm及び0.6mmの
AlNにより形成されたセラミック基板13と、縦、横
及び厚さがそれぞれ70mm、70mm及び2mmのC
u合金により形成された第1及び第2銅板21,22と
を用意し、構造体24を製作した。構造体24の製作
は、第1銅板21の上にセラミック基板13及び第2銅
板22を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kgf
/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃に
加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により行わ
れ、第2銅板22はエッチンクにより所定のパターンの
回路として構造体24を得た。
厚さがそれぞれ70mm、70mm及び3.0mmのA
lSiC系複合材料により形成されたヒートシンク16
と、両面にAl−Ni合金からなるAl融点降下層が形
成された縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm
及び0.3mmの純度99重量%以上のアルミニウム箔
17を用意した。Al−Ni合金はAl−3重量%Ni
合金をコーティングによりアルミニウム箔17の両表面
に0.05mmの厚さで形成した。構造体24の第1銅
板21及びヒートシンク16のアルミニウム箔17との
それぞれの接合面には厚さ0.005mmのNiめっき
をそれぞれ施し、AlSiC系複合材料からなるヒート
シンク16の上にアルミニウム箔17を介して第1銅板
を下側にした構造体24とを重ねた。これらに荷重3k
gf/cm2を加え、真空中で530℃に加熱して3時
間放置することによりヒートシンク16を第1銅板21
にアルミニウム箔17を介して接合し、ヒートシンク付
セラミック回路基板20を得た。
板にSi3N4を使用した以外実施例5と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのSi3N4により形成されたセラ
ミック基板と、実施例5と同一の第1及び第2銅板を用
意し、第1銅板の上にSi3N4からなるセラミック基板
及び第2銅板を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2
kgf/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜107
5℃に加熱して積層接着した後、第2銅板をエッチンク
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ70
mm、70mm及び2mmのAlにより形成されたヒー
トシンクと、両面にAl−Ag合金からなるAl融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、
30mm及び0.2mmの純度99重量%以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Al−Ag合金はAl−4重量%
Ag合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に0.2mmの厚さで形成した。構造体の第1銅板及び
ヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面に
は厚さ0.01mmのNiめっきをそれぞれ施し、Al
からなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第
1銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重3
kgf/cm2を加え、真空中で530℃に加熱して5
時間放置することによりヒートシンクを第1銅板にアル
ミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック
回路基板を得た。
板にAl2O3を使用した以外実施例5と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのAl2O3により形成されたセラ
ミック基板と、実施例5と同一の第1及び第2銅板を用
意し、第1銅板の上にAl2O3からなるセラミック基板
及び第2銅板を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2
kgf/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜107
5℃に加熱して積層接着した後、第2銅板をエッチンク
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ70
mm、70mm及び2mmのCuにより形成されたヒー
トシンクと、両面にAl−Ce合金からなるAl融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、
30mm及び0.1mmの純度99重量%以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Al−Ce合金はAl−7重量%
Ce合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に0.05mmの厚さで形成した。構造体の第1銅板及
びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面
には厚さ0.007mmのNiめっきをそれぞれ施し、
Cuからなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介し
て第1銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷
重4kgf/cm2を加え、真空中で525℃に加熱し
て1時間放置することによりヒートシンクを第1銅板に
アルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミ
ック回路基板を得た。
の構造体と同形同大にかつ同一材料により形成された構
造体4と、実施例8のヒートシンクと同形同大にかつ同
一材料のCuにより形成されたヒートシンク8と、縦、
横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm及び0.1m
mのはんだ6とを用意した。先ず、ヒートシンク8の上
にはんだ6と第1銅板1を下側にした構造体3とを重ね
た状態で、N2ガス及びH2ガスの混合ガス雰囲気中で2
50℃に加熱してヒートシンク8を第1銅板1に接合
し、このヒートシンク付セラミック回路基板5を比較例
1とした。
をAlSiC系複合材料により形成し、ヒートシンクを
はんだを介して第1銅板1に接合する前にヒートシンク
の接着面にNiめっきを施したことを除いて、比較例1
と同様に構成し、このヒートシンク付セラミック回路基
板を比較例2とした。なお上述した実施例1〜8、比較
例1及び比較例2のそれぞれの回路基板の構成を表1に
示す。
例1及び比較例2の回路基板の熱抵抗及びセラミックス
クラックをそれぞれ測定した。熱抵抗の測定は以下の方
法により行った、即ち、実施例1〜8の第2アルミニウ
ム板及び第2銅板の上面と、比較例1及び比較例2の銅
板の上面とに、20mm×15mmの発熱体をシリコー
ングリースにてそれぞれ接着し、ヒートシンクの下面に
放熱器を取付けた。先ずこの状態で発熱体を30Wで発
熱して発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗(温度サイク
ル直前の熱抵抗)を測定した。次に上記実施例1〜8、
比較例1及び比較例2の回路基板に冷熱衝撃試験器にて
−55℃〜室温〜150℃を1サイクルとして1000
サイクルの温度サイクルを付加した。更に温度サイクル
を1000回付加した後に発熱体を30Wで発熱したと
きの発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗(温度サイクル
1000回後の熱抵抗)を測定した。この結果を表1に
示す。セラミックス基板のクラックの測定は以下の方法
により行った、即ち、温度サイクル1000回後の熱抵
抗を測定した実施例1〜8のセラミック基板上の第1及
び第2アルミニウム板、第1及び第2銅板と、比較例1
及び比較例2のセラミック基板上の第1及び第2銅板と
をそれぞれエッチンクで除去し、セラミック基板にクラ
ックが生じているか否かを拡大鏡により確認することに
より行った。
の結果からアルミニウム箔の両面に形成するAl融点降
下層はコーティングでも蒸着でも実質的に変化が見られ
なかった。また、実施例1及び実施例3の結果から、構
造体及びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの
接合面をNiめっきすることにより更に低温での接合が
可能になることが判明した。また実施例1〜8では温度
サイクル直前の熱抵抗に対して温度サイクル1000回
後の熱抵抗が変化しなかったのに対し、比較例1では温
度サイクル1000回後の熱抵抗が約77%増大し、比
較例2では温度サイクル1000回後の熱抵抗が約98
%増大した。更に実施例1〜8ではセラミックスクラッ
クが温度サイクル1000回後であっても全く生じなか
ったのに対し、比較例1及び2では温度サイクル100
0回後にセラミックスクラックが生じたことが確認され
た。
造体とヒートシンクを両面にAl融点降下層が形成され
た熱伝導率の高い純度99重量%以上のアルミニウム箔
を介して接合するので、放熱特性を向上させることがで
きる。また、アルミニウム箔は変形抵抗が小さいので、
回路基板に熱サイクルを付加してもセラミック基板にク
ラックが発生することはなく、その寿命を長くすること
ができる。また、構造体及びヒートシンクのアルミニウ
ム箔とのそれぞれの接合面にNiめっきを施せば、ヒー
トシンクをアルミニウム板又は銅板に比較的低温で容易
に接合することもできる。更に、セラミック基板をAl
N,Si3N4又はAl2O3により形成し、ヒートシンク
をCu、Al又はAlSiC系複合材料により形成すれ
ば、熱伝導率、耐熱性及び強度等を向上することがで
き、半導体チップ等から発した熱をヒートシンクから有
効に外部に放散することができる。
断面図。
箔の断面図。
箔の断面図。
ンクを接合した状態を示す断面図。
板の断面図。
示す図1に対応する断面図。
断面図。
箔の断面図。
箔の断面図。
ンクを接合した状態を示す断面図。
板の断面図。
示す図1に対応する断面図。
て、図6に示すように、セラミック基板3がAlNによ
り形成され、このセラミック基板3の両面に第1及び第
2銅板1,2が積層接着された構造体4を、AlSiC
複合材料により形成されたヒートシンク8の上面にはん
だ6を介して接合されたものが知られている。この回路
基板9では、第1及び第2銅板1,2のセラミック基板
3への接合は第1銅板1の上にセラミック基板3及び第
2銅板2を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kg
f/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃
に加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により構造
体4が作られ、構造体4の第2銅板2はエッ チングによ
り所定のパターンの回路となる。この後、上面にNiめ
っきが形成されたヒートシンク8が構造体4の第1銅板
1にはんだ6を介して接合され、第2銅板2上に半導体
チップ等(図示せず)が搭載される。このように構成さ
れたセラミック回路基板では、半導体チップ等が発した
熱は第2銅板2、セラミック基板3、第1銅板1及びは
んだ6を介してヒートシンク8の表面から放散されるよ
うになっている。
図1及び図2に示すように、セラミック基板13の両面
に第1及び第2アルミニウム板11,12又は第1及び
第2銅板がそれぞれ積層接着された構造体14がアルミ
ニウム板11又は銅板を介してヒートシンク16に接合
されたヒートシンク付セラミック回路基板の改良であ
る。その特徴ある構成は、構造体14とヒートシンク1
6が両面にAl融点降下層17aが形成された純度99
重量%以上のアルミニウム箔17を介して接合されたと
ころにある。
図面に基づいて詳しく説明する。 (a) 構造体 図1及び図5に示すように、構造体14,24はセラミ
ック基板13,23の両面に第1及び第2アルミニウム
板11,12又は第1及び第2銅板21,22がそれぞ
れ積層接着されて構成され、セラミック基板13,23
はAlN,Si3N4又はAl2O3により形成される。図
1に示すように、セラミック基板13の両面に第1及び
第2アルミニウム板11,12を積層接着するには、第
1アルミニウム板11の上にAl−Si系ろう材(図示
せず)、セラミック基板13、Al−Si系ろう材(図
示せず)及び第2アルミニウム板12を重ねた状態で、
これらに荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中
で600〜630℃に加熱することにより行われる。積
層接着後、第2アルミニウム板12はエッチングにより
所定のパターンの回路となる。Al−Si系ろう材は9
0〜95重量%のAlと5〜10重量%のSiとの合金
が好ましい。図5に示すように、セラミック基板23の
両面に第1及び第2銅板21,22を積層接着するに
は、第1銅板21の上にセラミック基板13及び第2銅
板22を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kgf
/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃に
加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により作ら
れ、構造体24の第2銅板22はエッチングにより所定
のパターンの回路となる。
び厚さがそれぞれ50mm、50mm及び0.6mmの
AlNにより形成されたセラミック基板13と、縦、横
及び厚さがそれぞれ70mm、70mm及び2mmのC
u合金により形成された第1及び第2銅板21,22と
を用意し、構造体24を製作した。構造体24の製作
は、第1銅板21の上にセラミック基板13及び第2銅
板22を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kgf
/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜1075℃に
加熱するDBC(Direct Bond Copper)法により行わ
れ、第2銅板22はエッチングにより所定のパターンの
回路として構造体24を得た。
板にSi3N4を使用した以外実施例6と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのSi3N4により形成されたセラ
ミック基板と、実施例6と同一の第1及び第2銅板を用
意し、第1銅板の上にSi3N4からなるセラミック基板
及び第2銅板を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2
kgf/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜107
5℃に加熱して積層接着した後、第2銅板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ70
mm、70mm及び2mmのAlにより形成されたヒー
トシンクと、両面にAl−Ag合金からなるAl融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、
30mm及び0.2mmの純度99重量%以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Al−Ag合金はAl−4重量%
Ag合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に0.2mmの厚さで形成した。構造体の第1銅板及び
ヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面に
は厚さ0.01mmのNiめっきをそれぞれ施し、Al
からなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介して第
1銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷重3
kgf/cm2を加え、真空中で530℃に加熱して5
時間放置することによりヒートシンクを第1銅板にアル
ミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミック
回路基板を得た。
板にAl2O3を使用した以外実施例6と同じ構造体を製
造した。即ち、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、5
0mm及び0.6mmのAl2O3により形成されたセラ
ミック基板と、実施例6と同一の第1及び第2銅板を用
意し、第1銅板の上にAl2O3からなるセラミック基板
及び第2銅板を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2
kgf/cm2を加え、N2雰囲気中で1065〜107
5℃に加熱して積層接着した後、第2銅板をエッチング
により所定のパターンの回路として構造体を得た。次
に、この構造体とともに縦、横及び厚さがそれぞれ70
mm、70mm及び2mmのCuにより形成されたヒー
トシンクと、両面にAl−Ce合金からなるAl融点降
下層が形成された縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、
30mm及び0.1mmの純度99重量%以上のアルミ
ニウム箔を用意した。Al−Ce合金はAl−7重量%
Ce合金をコーティングによりアルミニウム箔の両表面
に0.05mmの厚さで形成した。構造体の第1銅板及
びヒートシンクのアルミニウム箔とのそれぞれの接合面
には厚さ0.007mmのNiめっきをそれぞれ施し、
Cuからなるヒートシンクの上にアルミニウム箔を介し
て第1銅板を下側にした構造体とを重ねた。これらに荷
重4kgf/cm2を加え、真空中で525℃に加熱し
て1時間放置することによりヒートシンクを第1銅板に
アルミニウム箔を介して接合し、ヒートシンク付セラミ
ック回路基板を得た。
の構造体と同形同大にかつ同一材料により形成された構
造体4と、実施例8のヒートシンクと同形同大にかつ同
一材料のCuにより形成されたヒートシンク8と、縦、
横及び厚さがそれぞれ30mm、30mm及び0.1m
mのはんだ6とを用意した。先ず、ヒートシンク8の上
にはんだ6と第1銅板1を下側にした構造体4とを重ね
た状態で、N2ガス及びH2ガスの混合ガス雰囲気中で2
50℃に加熱してヒートシンク8を第1銅板1に接合
し、このヒートシンク付セラミック回路基板5を比較例
1とした。
例1及び比較例2の回路基板の熱抵抗及びセラミックス
クラックをそれぞれ測定した。熱抵抗の測定は以下の方
法により行った、即ち、実施例1〜8の第2アルミニウ
ム板及び第2銅板の上面と、比較例1及び比較例2の銅
板の上面とに、20mm×15mmの発熱体をシリコー
ングリースにてそれぞれ接着し、ヒートシンクの下面に
放熱器を取付けた。先ずこの状態で発熱体を30Wで発
熱して発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗(温度サイク
ル直前の熱抵抗)を測定した。次に上記実施例1〜8、
比較例1及び比較例2の回路基板に冷熱衝撃試験器にて
−55℃〜室温〜150℃を1サイクルとして1000
サイクルの温度サイクルを付加した。更に温度サイクル
を1000回付加した後に発熱体を30Wで発熱したと
きの発熱体と周囲空気との間にて熱抵抗(温度サイクル
1000回後の熱抵抗)を測定した。この結果を表1に
示す。セラミックス基板のクラックの測定は以下の方法
により行った、即ち、温度サイクル1000回後の熱抵
抗を測定した実施例1〜8のセラミック基板上の第1及
び第2アルミニウム板、第1及び第2銅板と、比較例1
及び比較例2のセラミック基板上の第1及び第2銅板と
をそれぞれエッチングで除去し、セラミック基板にクラ
ックが生じているか否かを拡大鏡により確認することに
より行った。
Claims (5)
- 【請求項1】 セラミック基板(13,23)の両面に第1及
び第2アルミニウム板(11,12)又は第1及び第2銅板(2
1,22)がそれぞれ積層接着された構造体(14,24)が前記ア
ルミニウム(11)又は銅板(21)を介してヒートシンク(16)
に接合されたヒートシンク付セラミック回路基板におい
て、 前記構造体(14,24)と前記ヒートシンク(16)が両面にA
l融点降下層(17a)が形成された純度99重量%以上の
アルミニウム箔(17)を介して接合されたことを特徴とす
るヒートシンク付セラミック回路基板。 - 【請求項2】 Al融点降下層(17a)がAl−Si合金
層、Al−Cu合金層、Al−Mg合金層、Al−Ni
合金層、Al−Ag合金層又はAl−Ce合金層である
請求項1記載のヒートシンク付セラミック回路基板。 - 【請求項3】 構造体(14,24)及びヒートシンク(16)の
アルミニウム箔(17)とのそれぞれの接合面がNi(11a,1
6a)めっきされた請求項1又は2記載のヒートシンク付
セラミック回路基板。 - 【請求項4】 セラミック基板(13,23)がAlN,Si3
N4又はAl2O3により形成され、ヒートシンク(16)が
Cu、Al又はAlSiC系複合材料により形成された
請求項1ないし3いずれか記載のヒートシンク付セラミ
ック回路基板。 - 【請求項5】 アルミニウム箔(17)が5〜500μmの
厚さを有する請求項1ないし4いずれか記載のヒートシ
ンク付セラミック回路基板。
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