WO2003046981A1

WO2003046981A1 - Module structure and module comprising it

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Publication number: WO2003046981A1
Application number: PCT/JP2002/011698
Authority: WO
Inventors: Hideyuki Emoto; Masahiro Ibukiyama; Isao Sugimoto; Manabu Uto
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2003-06-05
Also published as: US7355853B2; EP1450401A1; EP1450401B1; US20050117302A1; AU2002343879A1; EP1450401A4; JP2003163315A; DE60239698D1

Description

明細書モジュール構造体とそれを用いたモジュール技術分野

本発明は、パワー素子等の発熱電気部品を搭載したセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュールに関し、ことに電源用途に好適に用いられるモジュールと、それに用いられるモジュール構造体に関する。背景技術

近年、パワーエレクトロ二クスの進歩により、 I G B T、 M O S - F E T などのパワーデバイスにより制御される機器が急速に増えつつある。中でも、電鉄、車両などの移動機器において、パワーデバイス化が急速に進んでいる。また、環境問題への関心の高まりと共に、電気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイプリッドカ一等が市販され始めており、それらに搭載されるパワーモジュールの需要の伸びが期待されている。この様な用途には、その使用目的から、格別に高い信頼性が要求されている。

従来のパワーモジュールでは、半導体素子等で発生する熱を外に逃がして、半導体素子の温度が所定の温度以上に上がらないようにするため、酸化アルミニゥム（A 1 ₂0 ₃) 、窒化ゲイ素（S i ₃ N ₄) 、窒化アルミニウム（A 1 N ) 等のセラミックス回路基板上に半田付けにより半導体素子を搭載し、それを銅（C u ) やアルミニウム（A 1 ) 等の金属からなるヒートシンクに半田付けしてなる構造が一般的であった。

しかし、この様な構造の場合、半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境における温度変化等を被ったときに、セラミックス回路基板とヒートシンクの間の半田層にクラックが発生する場合がある。半田層にクラックが発生するのは、セラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張差により発生する熱応力のためである。そして、半田層のクラック（以下、単に「半田クラック」ともいう）の存在は、半導体素子で発生した熱の放散性を低下させ、半導体素子の温度が上昇し、その結果、半導体素子が劣化し、パワーモジュール全体の信頼性を低下させる。また、半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、より高い放熱性が求められているとともに、環境汚染の面から半田の鉛フリー化が望まれている。しかし、いわゆる鉛フリー半田は、現在多用されている P b _ S n系半田に比べて熱伝導率は高いものの信頼性が劣っているという問題がある。

これらの問題を避けるために、熱膨張率がよりセラミックス基板に近い A 1 - S i C複合材あるいは C u— M o複合材をヒートシンクに用いることが検討されているが、従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な方法により製造せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコストが高く、金属製ヒートシンクより遙かに高価になるという問題がある。

一方、半田に代えてろう材を用いてヒートシンクとセラミックス回路基板とを直接に接合することにより、半田クラックの発生を避け、同時に熱放散性も改善する試みがなされている（特開平 9 - 9 7 8 6 5号公報、特開平 1 0 - 2 7 0 5 9 6号公報参照）。

しかし、この場合には、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差により発生した熱応力により、接合界面の剥離やセラミックス基板の割れが起こりやすくなり、かつ、半導体素子とセラミックス回路基板とを接合している半田に加わる応力も大きくなるため、半導体素子の下の半田クラックが一層発生しやすくなるという問題がある。また、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によって、ヒートシンクの形状や反りが大きく変化し、パワーモジュールの組み立て時に不都合が生じたり、ヒー卜シンクと放熱プロックとの密着性の低下による熱放散性の低下が起きる場合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によっても、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクから構成されるモジュール構造体の形状変化が小さく、組み立てが容易であり、そして、接合界面での剥離、セラミックス基板の割れ、半田層にクラック等の異状が発生し難く、かつ熱放散性のよい、長期に渡って高い信頼性を維持することのできるモジュールを提供することにある。発明の開示本発明者らは、前記目的を達成するべく種々の実験的検討を重ね、セラミックス基板と金属製ヒートシンクとの間に応力緩衝層を設けた構造体において、金属製ヒートシンク及び応力緩衝層となる金属板に種々の対策を設けるとき、得られるモジュール構造体が、組み立て工程や実使用条件下における熱履歴を受けても、形状変化や反り変化が小さく、しかも熱放散性が損なわれないことを見いだし、本発明に至ったものである。

即ち、本発明は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミ二ゥムを主成分とする金属板（A ) を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（A ) の厚みが 4 0 0 m以上 1 2 0 0 以下であることを特徴とするモジュール構造体である。

また、好ましくは上記金属製ヒートシンクが、 6 3 0で、 4分の加熱処理後のピッカース硬さが 3 0 H V以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とするモジュール構造体である。

前記金属板（A )が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されているのが好ましい。このろう材に、 A 1 を主成分とし、 M gと、 C u、 Z n、 G e、 S i 、 S n及び A gからなる群から選ばれる 1種以上とを、含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。更に好ましくは、上記モジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（A ) と反対側に設けられた回路形成されている金属板（B ) 上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（A) 及びノ又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであつて、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（B ) に接する縁から鉛直下方に 4 5 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュールである。

上記切欠部は、金属板（A ) の金属製ヒートシンクに接する側の表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられているのが好ましい。図面の簡単な説明

本願発明の実施例 1 2に係るモジュールの断面図。

比較例 4に係る従来公知のモジュールの断面図。

比較例 5に係る従来公知のモジュールの断面図。

本発明の実施例 1 3に係るモジュールの断面図。

本発明の実施例 1 4に係るモジュールの断面図。

本発明の実施例 1 5に係るモジュールの断面図。

符号の説明

セラミックス基板 2 ：発熱性電気部品（半導体素子）

3 金属板（B ) 4 金属板（A )

5 ヒートシンク

A 発熱性電気部品の金属板（B ) に接する縁から鉛直下方に 4 5 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域

B 切欠部発明を実施するための最良の形態

以下、本発明について説明する。

本発明に用いられるセラミックス基板は、必要とされる電気絶縁性や熱伝導率や機械的強度などの特性を満たしていれば適宜のものが使用できる。なかでも、高熱伝導率を有するセラミックスである窒化アルミニウム（A 1 N ) , 又は高い強度と比較的高い熱伝導率を兼ね備えた窒化ケィ素（S i ₃ N ₄) が好適である。

本発明のモジュール構造体は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合してなる構造を有している。異材質の接合における熱応力の低減には、大きく 2つの手法が知られている。その第 1の手法においては、両材料の熱膨張差を低減するため、低熱膨張率のヒートシンクを使用する。しかし、この方法は前述の通りにコスト面の問題がある。第 2の手法は、本発明が採用している方法であり、金属製ヒートシンクとセラミックス回路基板との間に応力緩衝層を挿入して、熱歪みを吸収するという考えに基づいており、低弾性率材料を中間層（応力緩和層）としてその塑性変形による熱応力緩和を行う手法である。

本発明においては、応力緩衝層として、厚みが 4 0 0 /^ m以上 1 2 0 0 M m以下のアルミニウムを主成分とする金属板を用いることを特徴としている。応力緩和層としては、前述の通りに、その機械的特性として、弾性率及び降伏耐力が低いことが必須である。しかし、本発明においては、その用途への適用のために、熱放散の面から高熱伝導率であること、半導体素子の半田付け時に溶融しないこと、更にはセラミックス基板及び金属製ヒートシンクと十分な強度で接合が可能であること等の要求を満たす必要がある。本発明者は、上記要求を満足する応力緩和層を見出すべく、種々の材質及び厚みについて鋭意検討を行った結果、本発明に至ったものである。本発明においては、応力緩和層にアルミニウムを主成分とする金属板を選択し、これを前記金属板（A ) として用いる。金属板（A ) として、例えば J I S (日本工業規格）呼称 1 0 0 0番台のアルミニウム、中でも、純度 9 9質量％以上の高純度アルミニウム、更に好ましくは純度 9 9 . 9質量％以上の高純度アルミニウムを用いるとよい。

また、本発明において、前記金属板（A ) の厚みは、 4 0 0 m以上 1 2 0 0 m以下、好ましくは 6 0 0 i m以上 1 0 0 0 i m以下である。前記厚みが 1 2 0 0 z mを越えると、金属板（A ) とヒートシンクによって生じる応力が金属板（B ) 側に及び、シリコンチップ下の半田の耐久性に悪影響を与える場合がある。また、エッチングでパターンを形成するときにパターン精度の悪化ゃコストアップを招くので好ましくない。 4 0 0 mよりも薄いと接合部からの元素拡散による硬化などのために緩衝層としての作用が不十分となったり、 A 1緩衝層が熱サイクルによる繰り返し応力に耐えられず破断を起こすことがある。

本発明は、金属製ヒートシンクとして、安価で熱伝導率が高い銅やアルミ二ゥム、またはそれらを主成分とする合金などを用いても、パワーモジユールの信頼性を確保することが出来るという特徴を有する。 A 1合金は軽量かつ安価であるからヒートシンクとして好適であり、その場合、 6 3 0で、 4 分 fflの加熱処理後のビッカース硬さが好ましくは 3 0 H V以上、更に好ましくは 6 0 H V以上であるアルミニウム合金を用いるのが好適である。前記特徴を有する A 1合金をヒートシンクとして用いると、前記金属板

( A ) の厚さが好適な範囲にあることと協同して、得られるモジュール構造体の反りを極めて小さくすることができる。また、パワーモジュールの組み立て工程やその実使用条件下で熱履歴を受けても、モジュール構造体の形状変化や反り変化が小さく、また接合界面の剥離や緩衝層である金属板（A ) の破断を防止するので、半導体素子の破損や熱抵抗の上昇を防ぐことができ、パワーモジュールの各種信頼性にょい影響を与える。

ヒー卜シンクに用いるアルミニウム合金としては、前記特性を有するものであればどの様なものであっても構わない。この様な合金の例として、 A 1 に S i或いは M gのいずれか 1種以上を適当量添加したアルミニウム合金、例えば、 J I S呼称 2 0 0 0番台、 5 0 0 0番台、 6 0 0 0番台、あるいは 7 0 0 0番台が例示される。

上記 A 1合金中の S i と M gの含有量は、物性、加工性の面から 0 . 1〜 4 . 0質量％程度が好ましいが、これを越えても、ビッカース硬度 3 0 H v 以上、好ましくは 6 O H v以上であれば、本発明のモジュール構造体の特徴である形状変化やそり変化が小さくなる点で優れている。また、本発明に用いる A 1合金は、前記特性を満たしている限り、他の成分や不純物を含有していても構わない。 M g、 C uや Z nを 2 . 0質量％以上含有する A 1合金はピッカース硬度や曲げ強度が高く、得られたモジュール構造体の形状変化や反り変化が小さくなる点で優れている。更に、前記アルミニウム合金がヒ一トシンク材の骨格を構成していれば良く、ヒー卜シンクの全てが前記アルミニゥム合金である必要はない。

本発明に適するヒートシンク用 A 1合金のビッカース硬度を示したが、高温ァニール後の曲げ強度を測定し、その場合の荷重と変位で表すこともできる。即ち、厚さ 5 mm、幅 5 mmの試験片を 6 0 O tで 1 0分間加熱した後、スパン 3 0 mmで 3点曲げ強度を測定したとき、変位が 2 0 0 mになるときの荷重が 2 0 0 N以上、好ましくは 3 0 0 N以上の時、上記と同様の効果が得られる。

また、ヒートシンクの形状は、裏面が平らな板状のものを用いてもよいし、フィンが形成されているものを用いてもよい。また内部を冷却媒体が通過出来るような構造を持っていてもよい。この場合、パワーモジュールや冷却措置を含む電力制御装置全体の寸法を小さくできコストダウンに寄与できるので好ましい。

また、本発明のモジュール構造体においては、その材質、形状、作業性、接合強度から、前記の金属板（A ) が金属製ヒートシンクにろう材もしくは鉛フリ一半田を介して接合していることが好ましい。

ヒートシンクとセラミックス回路基板の接合に P b— S n系半田を用いた場合は、前記したように熱サイクルに伴う半田クラックによる信頼性の低下、環境上の問題、アルミニウムの半田濡れ性が悪いため表面をメツキなどで処理しなければならない等の問題があり好ましくないが、ろう付けによれば前記問題が解消される。更に、本発明において、アルミニウムを主成分とする金属板（A ) が、セラミックス回路基板に、ろう材を介して接合されていること力一層好ましい。

本発明において、ヒートシンクと金属板（A ) 、金属板（A ) とセラミツクス基板を接合するろう材は、金属製ヒートシンクの種類等に応じて適宜選択すればよい。特に、このろう材に、 A 1 を主成分とし、 M gと、 C u、 Z n、 G e、 S i 、 S n及び A gからなる群から選ばれる 1種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。前記ろう材に含まれる M gの量は 0 . 1〜 2 . 0質量％が適当であり、 0 . 1質量％より少ないと十分な接合が得られず、 2 . 0質量％より多いと接合部の耐熱衝撃性が低下したり接合炉の操業上好ましくないことが起きる場合がある。本発明のろう材に適するアルミニウム合金としては、例えば、 J I S呼称 2 0 0 0番台、 3 0 0 0番台、 5 0 0 0番台、 6 0 0 0番台、 7 0 0 0番台の適当な組成のものを用いることが出来る。

尚、ろう材は、合金でも合金でなくともよく、また、箔、粉末、混合粉末、或いは接合温度以下で前記金属成分を残留する化合物を含む混合粉末のいずれの形態でも構わないし、それらを組み合わせて用いてもよい。合金箔は、接合部分の耐熱サイクル性、微小ボイドが出来にくさ、取り扱い易さ等の点で優れている。とりわけ、金属板（A ) とセラミックス基板を接合するには J I S呼称 2 0 1 7のアルミニウム合金箔を用いるとよい。

また、ヒートシンクと金属板（A ) を接合するには、接合温度をヒ一トシンクの融点以下にする必要があり、必要に応じて上記ろう材組成の融点を下げるために A 1以外の成分の量を増すとよい。例えば、前記 A 1合金箔と銀箔ゃ銀粉を併用すると最も好ましい結果が得られる。また、ろう材の厚みに関しては、 1 0〜60 m、好ましくは 1 0〜40 mのときに再現性がよく、耐熱サイクル性がよい強固な接合が得られる。

A 1合金ヒートシンクとアルミニウムを主成分とする金属板（A) を接合する場合、一般的には真空中で加熱して接合することが好ましい。この時、双方の接合面の凹凸や面粗さが大きいと、接合不良が多発したり接合部の耐ヒートサイクル性が劣る場合がある。また、窒素中で接合すると、接合する部材の表面形状の影響はより大きくなるし、金属板（A) の外周部分で接合不良が起きすくなる。特にヒートシンクに押し出し材を用いると、その表面についた押し出し痕が接合不良や熱サイクル試験での剥離を引き起こす場合がある。これらの問題は、 Mgを含む A 1合金箔や合金粉と Ag粉または A g箔を併用すると解決できる。このような合金と Agの併用は、特に窒素雰囲気中でも十分に耐久性を持った信頼性の高い接合が得られるという点で画期的である。また、ヒートシンクの加熱処理後のピッカース硬度が大きい場合や曲げ強度が大きい場合にも、剥離の起きにくい強固な接合部が得られるので好ましい。この方法によれば、窒素中で接合出来るので、通常の窒素雰囲気連続炉で接合でき、製造コストを大幅に低減できる。

ろう付けを行うには、ろう材が合金箔であればヒートシンクと金属板（A)、または金属板（A) とセラミックス基板の間に挟み、真空中、窒素中、または不活性ガス中で加熱して接合する。ろう材として合金粉や金属粉の混合物を用いるとき、ヒートシンクと金属板（A) 又は金属板（A) とセラミックス基板を接合する場合においても、いずれか一方の面に、ロールコ一夕一やスクリーン印刷機により塗布すればよい。塗布量は、少なすぎると十分な接合が出来ないし、多すぎるとろう材が流れて接合部以外に流れ出し不都合であったり、界面に硬く脆弱な層ができて接合の信頼性を損なうことがある。塗布量として l〜5mg/c m²程度が好ましい。

A 1合金ろう材箔と Ag粉を併用してヒートシンクと金属板（A) を接合する場合は、銀粉をろう材箔、ヒートシンク、または金属板（A) のいずれかの一つの面に塗布するだけで、銀を併用する効果が得られる。また、銀粉の塗布量は 1〜3mg/cm²程度で十分である。また、本発明に於いて、金属製ヒー卜シンクと金属板（A) の接合に鉛フリ一半田を用いてもよい。鉛フリー半田は、 P b— S n系半田に比べて硬く塑性変形しにくいため、通常は熱サイクルにより半田クラックが入りやすいと言われているが、本発明の場合、十分信頼性のあるモジュール構造体を得ることが出来る。鉛フリー半田として、 S n — A g — C u系半田や S n— Z n系半田を用いると信頼性を確保することがことでき、特に、 S n—A g ( 3 質量％) - C u ( 0 . 5質量％) を用いるとよい。

セラミックス基板の片面に設けられ、発熱性電気部品がその一部に搭載される回路となる金属板（B ) としては、良導電性の金属であれば何でも構わないが、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、或いはそれらの合金が好ましく用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。

本発明においては、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（A ) 及び Z又は金属製ヒートシンクの上面及びノ又は下面の特定の位置に切欠部を設けることが好ましい。これは、前記切欠部の存在しない場合と同程度の熱放散性を維持しながらも、半導体素子等の発熱性電気部品を搭載する時などの加熱処理によるセラミックス基板とヒートシンクの熱膨張率差により発生する熱応力により生じる金属板 ( A) の歪みを切欠部が緩和し、温度履歴に伴うモジュール構造体の変形を低減することができるためである。

本発明における切欠部導入位置、即ち、切欠部を設ける部所は、図 1〜図 6に示されるように、モジュールの断面を想定したときに、発熱性電気部品の金属板（B ) に接する縁から鉛直下方に 4 5 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域、即ち、錐台部の外側の領域である。前記の位置に切欠部を特定することにより、モジュール中の半導体素子等の電気部品や回路から発生する熱の放散性を悪化させず、従って半導体素子の温度を上昇させることなく、半導体素子の誤動作を生じたりして寿命が短くなる等の現象が引き起こされるのを防止できるからである。

切欠部導入位置は、搭載される発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置によって変えることができる。放熱構造部変形の低減には、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（A ) にヒートシンク側から導入した切欠部が最も効果的である。切欠部の深さは、大きい程放モジュール構造体変形の低減に効果的であり、金属板を分割するのが好ましいが、必ずしも分割する必要はない。切欠部の幅、個数及び形状は、熱放散性を悪化させる領域に含まれなければ適宜に設けられる。

また、ヒートシンクの金属板（A ) に接した部分に切欠部を導入することにより、同様の効果が得られる。この場合は、ヒートシンク表面に簡単な溝加工を施すこと等により、切欠部を導入することが可能であり、生産性に優れる効果がある。この場合も切欠部の深さは、大きい程効果的であるが、深さは、ヒートシンクの厚みの 1 Z 2以下にするのが好ましい。これ以上深い切欠部を設けるとセラミックス回路基板とヒートシンクとを接合して得られたモジュール構造体が大きく変形してしまうことがあるからである。切欠部の幅、個数及び形状は、前記特定の範囲内に設けられているならば、どの様にしても構わない。

発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置の制限により、金属板とヒートシンクの界面に切欠部を設けられない場合は、接合界面以外のヒートシンクの上面及びノ又は下面に設けても変形の低減効果がある。この場合には、発熱性電気部品、回路、セラミックス基板等のモジュールの重要な機能を呈する部分から空間的に離れた場所を選択する自由度が大きくなり、生産性の面で優れ、結果的にモジュールを一層安価に提供できるという効果が得られる。本発明に用いるセラミックス回路基板は、セラミックスを回路用の金属板 ( B ) 及びアルミニウムを主成分とする金属板（A ) と接合したのち、エツチングゃ機械加工等の従来公知手法を用いて回路形成、或いは、金属板（A ) の切欠部を形成することで容易に製造できる。或いは、セラミックス基板にあらかじめ回路及び切欠部を形成した金属板（A、 B ) を搭載し接合することによっても製造できる。

本発明のモジュール構造体、モジュールを得る方法としては、従来公知の方法を適用することで得ることもできるが、後述する方法が再現性が良く、また生産性高く本発明のモジユール構造体、モジュールを得ることができる。即ち、表面に回路形成された金属板（B ) を、裏面に応力緩和層となるァルミ二ゥムを主成分とする金属板（A ) をそれぞれ、ろう付等により設けたセラミックス回路基板を予め準備し、その応力緩衝層側の面と金属製ヒートシンクとの間にろう材を配置し、加圧下で加熱してセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（B ) 、セラミックス基板、応力緩衝層となるアルミニウムを主成分とする金属板（A ) 、金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し, 同時に接合する方法が好ましい。

また、切り欠き部を設けたモジュール構造体を形成するには、セラミックス回路基板の金属板（A ) 或いは金属製ヒートシンクの表面にエッチングや機械加工等により予め切欠部を導入し、その後、セラミックス回路基板の金属板（A ) と金属製ヒートシンクの間にろう材を配置し、加圧下で加熱しセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（B ) 、セラミックス基板、切欠部を導入したアルミニウムを主成分とする金属板（A ) 及び金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。更に、後者の方法において、回路用金属板（B ) は予め回路形成されたものであってもよいし、接合後にエッチング等の方法を適用して回路形成してもよい。また、ヒ一トシンクの接合界面以外の領域に切欠部を導入する場合は接合後に設けても構わない。

次に、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュール構造体の回路上に半導体素子等の電子部品を半田付け等により搭載し、必要に応じてワイヤーボンディング等を施して回路を完成することで本発明のモジュールを得ることができる。

本発明のモジュール構造体を用いて組み立てた、高出力半導体素子等の高発熱性電気部品を搭載したパワーモジュールは、金属製ヒートシンクが中実板である場合は、高熱伝導性グリースを介して、放熱フィン等の放熱ュニッ卜に取り付け、使用される。ヒートシンクがフィン付き形状であればそのまま用いられる。また、ヒートシンクが冷却媒体を通すパイプ状である場合は、冷却媒体を通すための配管がなされ、使用される。

以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。

〔実施例 1、 2、 3、 4、 5、比較例 1、 2〕

セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が 7 5 W /mK、三点曲げ強さの平均値が 6 5 0 MP aの窒化ケィ素基板で、大きさが 3 4 X 3 4 X 0. 6 3 5 mmのものを用意した。また、回路用の金属板として純度 9 9. 9 9 %で、厚みが 0. 4mmの A 1板（以下、 A 1回路板という）を、又、応力緩衝層用の A 1板（以下、緩衝用 A 1板という）として純度 9 9. 9 9 %で表 1に示すいろいろな厚みのものを用意した。

窒化ケィ素基板の表裏両面に、 J I S呼称 2 0 1 7の A 1箔（2 0 厚さ）を介して、前記 A 1回路板と緩衝層用 A 1板を重ね、垂直方向に 5 MP aで加圧した。そして、 1 0— ³P a台の真空中、温度 6 3 5でで加熱しながら、窒化ケィ素基板に前記 A 1板の両者を接合した。

接合後、 A 1板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。

次に、ヒートシンクとして 5 0 X 5 0 X 4 mmサイズの J I S呼称 1 0 5 0の A 1板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板に接合されている緩衝用 A 1板とヒートシンクとの間に、厚さ 2 の J I S呼称 2 0 1

7の A 1箔を挟み、黒鉛治具で全体を垂直方向に 5 MP aで加圧しながら、 1 0— ³P a台の真空中、 6 0 0T：、 4分の条件で加熱処理を行い、ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合した。この接合体のアルミニウム金属面に無電解 N iメツキを行い、モジュール構造体を得た。この場合、それぞれの同じ構成のモジュール構造体を 1 0個作製した。

作製したモジュール構造体の A 1回路面に、裏が A uでメツキされた 1 0 mmX I OmmX O . 3 mmのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ 9 0 ： 1 0である半田を用いて 3 5 0°Cで接合した。

得られたモジュールについて、一 4 O : x 3 0分—室温 X 1 0分→ 1 2 5 V X 3 0分→室温 X 1 0分を 1サイクルとするヒートサイクルを 3 0 0 0回実施した。その後、超音波深傷装置によってセラミックス基板とヒートシンク間、およびセラミックス基板とシリコンチップ間の接合界面の剥離やクラックの発生の有無などを観察した。この結果を表 1に併せて示した。尚、比較例 1を除き、いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる接合部の剥離ゃ窒化ケィ素基板におけるクラックの発生は観察されなかつた。比較例 1では、接合部の一部が剥離すると共に緩衝用 A 1板の疲労破壊が顕著に起こり、実施例 1では緩衝層用 A 1板のコーナー部に疲労破壊が認められた。比較例 2では、シリコンチップと回路基板間の半田層に全面にわたるクラックが認められ、実施例 5では、同様に半田層に若干のクラックが認められた。

(*)全試片数に対する異状発生の認められた試片数

〔実施例 6、 7、 8、 9、 1 0、 1 1、比較例 3〕

表 2に示す 7種のヒートシンクを用い、以下の手順に従って、 1 0個の繰り返し数で、モジュールを作製し、評価することで、本発明の実施例並びに比較例とした。

セラミックス基板として、 34 X 34 X 0. 6 3 5mmの大きさで、レーザ一フラッシュ法による熱伝導率が 1 8 OWZmK：、三点曲げ強さの平均値が 40 0MP aの A 1 N (窒化アルミニウム）基板を用意した。また、回路となる金属板と前記 A 1 N基板のヒートシンクに対する面（以下、基板裏面という）に設けられる金属板として 3 0 X 30 X 0. 4 mmの J I S呼称 1 0 8 5の A 1 (アルミニウム）板を 2枚用意した。

前記 A 1 N基板の表裏両面に、 J I S呼称 2 0 1 7の A 1箔（2 0 m厚さ）を介して前記 A 1板を重ね、垂直方向に 1 0 MP aで加圧した。そして、 1 0— ²P aの真空中、温度 63 0T：、 2 0分の条件下で加熱しながら A 1板と A 1 N基板とを接合した。接合後、 A 1板表面の所望部分にエッチングレジス卜をスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。

次に、ヒートシンクとして、 46 X 46 X 4mmサイズの表 2に示す組成のアルミニウム板を用意した。そして前記セラミックス回路基板のヒートシンクに接して配置される面に銀粉をスクリーン印刷で 1. SmgZcm²となるように塗布し、それと前記ヒートシンクとの間に、厚さ 2 0 ΓΠの J I S呼称 2 0 1 7の A 1箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に 1 0 MP aで加圧しながら窒素雰囲気中において 5 1 0〜6 0 0で、 4分の加熱処理を行いヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合した。最後に基板と放熱板全面に無電解 N i メツキを行い、モジュール構造体を得た。

作製したモジュール構造体の A 1回路面に、裏が Auでメツキされた 1 3 mmX 1 3 mmX 0. 4 mmのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ 9 0 ： 1 0である半田を用いて 3 50でで接合した。

前記操作で得たモジュールについて、シリコンチップの反り量を測定した。反り量は、シリコンチップの対角線上の両端部と中央部の高さの差として評価し、 1 0個の平均値を表 3に示した。

表 2 v t_-―一 k P 、ノノ、ノ々ンの日 Λ FΆtι ビッカース硬さ（水）

(H V ) C

実施例 6 V . 4 1 一 oリ · Μ — A 1 3 0 実施例 7 0 . 5 5 S i 一 o . 7 5 M g—残 A 1 4 7 宝夭"肥 ^例 R 0 . 2 S i 一 o . 4 M g - 3 . 5 C u一残 A 1 7 1 実施例 9 0 . 2 5 S i 一 2 . 4 M g—残 A 1 6 8 実施例 1 0 0 . 4 S i - 4 . 2 M g—残 A 1 9 2 実施例 1 1 0 . 4 S i - 2 . 1 M g - 5 . 1 Z n一残 A 1 8 3 比較例 3 A 1 ( 9 9 9 9 ) 1 3

* 6 3 0 、 4分加熱処理後表 3

*反り量は、シリコンチップ対角線上の

両端部と中央部の高さの差の平均値

+ ：シリコンチップ側が凸

一：シリコンチップ側が凹〔実施例 1 2、比較例 4〕

セラミックス基板として、レーザ一フラッシュ法で測定した熱伝導率が 7 0 W/mK, 三点曲げ強度が 7 5 0 MP aの窒化ケィ素基板（寸法 34 X 2 6 X 0. 6 3 5 mm) を用意した。また、金属板（A) 及び金属板（B) 用にはいずれも純度が 99. 9 9 %で厚みが 0. 4 mmのアルミニウム板を用息した。

窒化ケィ素基板の表裏両面に、 J I S呼称 2 0 1 7の A 1箔（20 m厚さ）を介してアルミニウム板を重ね、垂直方向から 5MP aで加圧した。そして 1 0— ³P a台の真空中、温度 6 3 5でで加熱しながら、窒化ケィ素基板に前記アルミニウム板の両者を接合した。

接合後、上下のアルミニウム板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理を行うことにより金属板（B) に回路パターンを、実施例 1 2では金属板（A) に歪み緩和のための切欠部を形成し、セラミックス回路基板を作製した。尚、切欠部は、後に搭載される発熱性電気部品の一つである半導体素子の金属板（B) に接する縁から鉛直下方に 45 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けた。また、比較例 4では、金属板（A) に切欠部を設けないで、同様の手法により、セラミックス回路基板を作製した。

次に、ヒー卜シンクとして、 60 X 1 40 X 4 mmで 4つの取り付け用ネジ穴を有する J I S呼称 1 050アルミニウム板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板 2枚と前記アルミニウム板との間に、 J I S呼称 2 0 1 7の A 1合金箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に加圧しながら、 1 0— ³P a 台の真空中、 590T：、 1 0分の条件で加熱を行い、ヒートシンクとセラミックス回路基板を接合し、モジュール構造体とした。

次に、半導体素子の半田付け前後での温度履歴を想定した、反り変化量の測定を行った。反り量の測定方法について述べると、まず接合後のモジユール構造体の底部における形状を触針式の輪郭形状機で長手方向の端から端まで（スパン 140mm) 測定し、両端補正を行い、数値化した。その後、このモジュール構造体を 360 で 1 0分の加熱処理を行ったのち、底部形状の測定を行い、加熱前後の差をとり、その最大値を反り変化量とした。結果を表 4に示す。次に、放熱性の評価のために、得られたモジュール構造体の全面に無電解ニッケルメツキを施した後、回路の所定の位置に 1 0 mm角の半導体素子を高温半田を用い、還元雰囲気中、 3 6 0 °Cで半田付けした。実施例 1 0、比較例 4のモジュールの断面構造をそれぞれ図 1、図 2に示す。前記のモジュ一ル部材の底面にアルミニウム製放熱ュニットをシリコーングリースを介して、四つのネジで締め付けた。熱抵抗は、放熱ユニットを水冷し、シリコン素子の厚さ方向に定電流を流しながら、シリコン素子の温度とアルミニゥム製放熱ュニッ卜の温度を測定することにより求めた。結果を表 4に示す。表 4

*値は比較例 4を 1 0 0とした場合の相対値である。得られたモジュールについて— 4 0 t: X 3 0分—室温 X I 0分— 1 2 5 °C X 3 0分→室温 X 1 0分を 1サイクルとするヒートサイクルを 3 0 0 0回実施した。その後、超音波深傷によるセラミックス基板とヒートシンクの接合界面の剥離の有無を観察した。いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる回路板の剥離ゃ窒化ケィ素基板におけるクラックの発生等の異状は観察されなかった。

〔比較例 5〕

金属板（A )に導入する切欠部をシリコン素子の鉛直下方に設けた以外は、実施例 1 0と同様にしてモジュールを作製した。実施例 1 0と同様に半導体素子の半田付け前後の反り変化量及び熱抵抗の評価を行った。モジュールの断面構造を図 3に、評価結果を表 4に示した。

〔実施例 1 3〕

アルミニウム製ヒー卜シンクのセラミックス回路基板に接する部分で、しかも、後工程で搭載される半導体素子の金属板（B ) に接する縁から鉛直下方に 4 5 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に、ダイヤモンドカッターにより、幅 l mm、深さ 1 . 5 mmの溝加工を行った以外は、比較例 4と同様にしてモジュールを作製し、比較例 4と同様に評価した。モジュールの断面構造を図 4に、評価結果を表 4に示した。

〔実施例 1 4、 1 5〕

比較例 4と同様の方法によりセラミックス回路基板をアルミニウム製ヒートシンクに接合したモジュールを作製した。実施例 1 4では、図 5に示すヒートシンク上面の位置に、実施例 1 5では、図 6に示すヒートシンク下面の位置に幅 3 mm、深さ 2 mmの溝加工を行った。その後、比較例 4と同様の方法により、モジュールの作製及び評価を行った。評価結果を表 4に示した。産業上の利用可能性

本発明のモジュール構造体とそれを用いたモジュールは、安価な金属をヒ一トシンクを用いながらも、半導体搭載時などの温度履歴を受けても変形量が小さく、組み立てが容易であり、しかも実使用条件下で繰り返しの温度履歴を受けても、接合界面での剥離、アルミニウム層の疲労破壊、セラミックス基板の割れ、半田層クラック等の異状が発生しがたく、しかも放熱性に優れるとう特徴があり、いろいろな用途のパワーモジュール、特に移動用機器向けのパワーモジュールに好適であり、産業上非常に有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（A ) を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記金属板（A ) の厚みが 4 0 0 m以上 1 2 0 0 m以下であることを特徴とするモジュール構造体。

2 . ヒートシンクが 6 3 0で、 4分の加熱処理後のビッカース硬さが 3 0 H V以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項 1記載のモジュール構造体。

3 . 前記金属板（A ) が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されていることを特徴とする請求項 1又は請求項 2 記載のモジュール構造体。

4 . ろう材が、 A 1 を主成分とし、 M gと、 C u、 Z n、 G e、 S i 、 S n 及び A gからなる群から選ばれる 1種以上とを、含有することを特徴とする請求項 3記載のモジュール構造体。

5 . 請求項 1〜4のいずれかに記載のモジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（A ) と反対側に設けられた回路形成されている金属板

( B ) 上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（A ) 及び又は前記金属製ヒー卜シンクの表面に切欠部を設けたモジユールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（B ) に接する縁から鉛直下方に 4 5 ° の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュール。

6 . 切欠部が、金属板（A ) の金属製ヒートシンクに接する側の表面に設けられていることを特徴とする請求項 5記載のモジュール。

7 .切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒー卜シンク表面に設けられていることを特徴とする請求項 5又は請求項 6記載のモジュール。

8 .切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられていることを特徴とする請求項 5、 6または 7に記載のモジュール。