WO2019188884A1 - ヒートシンク付き絶縁回路基板 - Google Patents

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WO2019188884A1
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heat sink
circuit board
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遼平 湯本
智哉 大開
丈嗣 北原
長友　義幸
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an insulating circuit board with a heat sink in which a heat sink is bonded to an insulating circuit board such as a power module board used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
  • An insulating circuit board with a heat sink is known in which a circuit layer is bonded to one surface of an insulating layer made of a ceramic substrate such as aluminum nitride, and an aluminum heat sink is bonded to the other surface via an aluminum plate. ing.
  • an insulating circuit board with a heat sink disclosed in Patent Document 1 has a circuit layer made of any one of a pure aluminum plate, an aluminum alloy plate, a pure copper plate, a copper alloy plate, etc. on one surface of an insulating layer made of a ceramic substrate.
  • a metal layer made of pure aluminum or an aluminum alloy metal plate is bonded to the other surface of the insulating layer, and a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the metal layer via a copper layer.
  • the insulating layer and the metal layer are bonded using a brazing material, and the metal layer and the heat sink are bonded by solid phase diffusion between the copper layer interposed therebetween.
  • Patent Document 3 a first metal plate is bonded to one surface of a first ceramic substrate, and a second metal plate is bonded to the other surface of the first ceramic substrate and one surface of the second ceramic substrate.
  • a metal-ceramic bonding substrate (insulated circuit substrate with a heat sink) in which a plate-like heat radiation member having a plurality of fins is bonded to the other surface of the second ceramic substrate is disclosed.
  • This metal-ceramic bonding substrate is formed by arranging a first ceramic substrate and a second ceramic substrate in a carbon mold at intervals and pouring a molten aluminum alloy into the mold to cool and solidify. .
  • the metal / ceramic bonding substrate disclosed in Patent Document 3 is manufactured by placing two ceramic substrates at intervals in a mold and pouring a molten aluminum alloy into the mold.
  • the metal plate, the heat radiating member, and the fin are the same aluminum alloy.
  • This invention is made in view of such a situation, and it aims at suppressing the curvature of the insulated circuit board with a heat sink by which the heat sink consisting of the metal of a composition different from the metal layer of an insulated circuit board is joined. .
  • An insulated circuit board with a heat sink of the present invention comprises a ceramic substrate, a circuit layer bonded to one surface of the ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy bonded to the other surface of the ceramic substrate.
  • the thickness T1 of the first metal layer is not less than 0.3 mm and not more than 3.0 mm, and the thickness ratio T1 / T2 is not less than 1.0.
  • the heat sink includes a first metal layer bonded to the metal layer of the insulating circuit board, a ceramic plate material bonded to the first metal layer, and a second metal layer bonded to the ceramic plate material. ing. That is, since the ceramic plate material is incorporated inside the first metal layer and the second metal layer made of copper or copper alloy, the linear expansion coefficient of the heat sink can be reduced, and the difference in linear expansion from the insulating circuit board can be reduced. it can. Thereby, the amount of warp change between the high temperature and low temperature of the insulated circuit board with the heat sink can be suppressed.
  • the thickness T1 of the first metal layer is set to 0.3 mm or more and 3.0 mm or less. If the thickness T1 of the first metal layer is less than 0.3 mm, the heat dissipation effect of the heat sink may be reduced. Yes, if the thickness T1 exceeds 3.0 mm, the influence of expansion of the first metal layer made of copper or copper alloy is increased, and the linear expansion of the joined body (heat sink) with the ceramic plate material is increased. This is because warpage of an insulating circuit board with a heat sink, which is a joined body of the board and the heat sink, increases.
  • the thickness T1 of the first metal layer is less than the thickness T1 of the second metal layer, there is a possibility that the insulating circuit substrate with a heat sink warps in a convex shape toward the insulating circuit side, so that T1 / T2 is 1.0 or more.
  • the thickness ratio T1 / T2 is preferably 10.0 or less.
  • the thickness T2 of the second metal layer is preferably 0.3 or more.
  • the circuit layer may be made of aluminum or an aluminum alloy
  • the ceramic substrate may be made of aluminum nitride
  • the ceramic plate material may be made of silicon nitride.
  • the metal layer and the first metal layer may be bonded by solid phase diffusion bonding.
  • the curvature of the insulated circuit board with a heat sink formed by joining the insulated circuit board which has a metal layer, and the heat sink which has a metal layer of a composition different from the metal layer of an insulated circuit board can be suppressed.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the power module using the insulated circuit board with a heat sink concerning one Embodiment of this invention. It is the top view which looked at the insulated circuit board with a heat sink in the said embodiment from the circuit layer side. It is sectional drawing explaining the manufacturing method of the insulated circuit board with a heat sink shown in FIG. It is sectional drawing explaining the manufacturing method of the insulated circuit board with a heat sink shown in FIG. It is sectional drawing explaining the manufacturing method of the insulated circuit board with a heat sink shown in FIG.
  • an insulated circuit board 100 with a heat sink is formed by bonding a heat sink 2 to an insulated circuit board 1, and is used as, for example, a power module board.
  • an element 30 is mounted to form a power module.
  • This element 30 is an electronic component including a semiconductor, and various elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Transistor), FWD (Free Wheeled Semiconductor) are selected.
  • the element 30 is provided with an upper electrode part at the upper part and a lower electrode part at the lower part, and the lower electrode part is joined to the upper surface of the circuit layer 12 by solder 31 or the like.
  • the element 30 is mounted on the upper surface of the circuit layer 12.
  • the upper electrode portion of the element 30 is connected to the circuit electrode portion and the like of the circuit layer 12 via a lead frame and the like joined by solder or the like, and the power module is manufactured.
  • the insulated circuit board 1 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 bonded to one surface of the ceramic substrate 11, and a metal layer 13 bonded to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the ceramic substrate 11 is a rectangular plate-like insulating substrate that prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13.
  • the ceramic substrate 11 is aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide ( Al 2 O 3 ), a zirconia reinforced alumina substrate or the like, and its thickness is 0.2 mm to 1.2 mm.
  • AlN aluminum nitride
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • zirconia reinforced alumina substrate or the like and its thickness is 0.2 mm to 1.2 mm.
  • both the circuit layer 12 and the metal layer 13 joined to both surfaces of the ceramic substrate 11 are made of aluminum or an aluminum alloy, it is preferable to be made of aluminum nitride.
  • the planar size of the ceramic substrate 11 is not particularly limited, but is set to 40 mm to 140 mm ⁇ 40 mm to 100 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 12 is bonded to the upper surface (surface) of the ceramic substrate 11, pure aluminum or aluminum alloy having a purity of 99% by mass or more is used, and the thickness thereof is, for example, 0.2 mm or more and 0.9 mm.
  • the planar size of the circuit layer 12 is smaller than that of the ceramic substrate 11 and is not particularly limited, but is set to 36 mm to 136 mm ⁇ 36 mm to 96 mm in this embodiment.
  • the metal layer 13 is bonded to the lower surface (back surface) of the ceramic substrate 11 and is made of pure aluminum or aluminum alloy having a purity of 99% by mass or more. According to the JIS standard, aluminum in the 1000s, particularly 1N99 (purity of 99.99% by mass or more). : So-called 4N aluminum) can be used.
  • the thickness is, for example, 0.2 mm to 0.9 mm.
  • the planar size of the metal layer 13 is smaller than that of the ceramic substrate 11 and is not particularly limited. However, in this embodiment, it is set to 36 mm to 136 mm ⁇ 36 mm to 96 mm and the same as the circuit layer 12.
  • the circuit layer 12 and the metal layer 13 preferably have the same composition and the same thickness and size.
  • the heat sink 2 is bonded to the insulated circuit board 1 and radiates heat transferred from the insulated circuit board 1.
  • the heat sink 2 includes a first metal layer 21 bonded to the metal layer 13 of the insulating circuit board 1, a ceramic plate material 23 bonded to the lower surface (back surface) of the first metal layer 21, and a lower surface (back surface) of the ceramic plate material 23. ) And the second metal layer 22 joined to each other.
  • the first metal layer 21 is made of copper or a copper alloy, and its thickness T1 is set to 0.3 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the 2nd metal layer 22 consists of copper or a copper alloy, and the thickness T2 is set to 0.3 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the thickness of the first metal layer 21 is less than 0.3 mm, the heat dissipation effect of the heat sink 2 may be reduced. If the thickness exceeds 3.0 mm, the bonded body (heat sink 2) of the ceramic plate member 23 may be reduced. Since the linear expansion increases, the warpage of the insulating circuit board 100 with the heat sink, which is a joined body of the insulating circuit board 1 and the heat sink 2, increases. Further, if the thickness of the first metal layer 21 is smaller than the thickness of the second metal layer 22, the heat sink 2 may be warped convexly toward the first metal layer 21 during heating.
  • the thickness T1 of the first metal layer 21 is not less than 0.3 mm and not more than 3.0 mm and not less than the thickness T2 of the second metal layer 22 (is equal to or equal to the thickness T2 of the second metal layer 22). Thicker than T2).
  • the thickness ratio T1 / T2 between the thickness T1 of the first metal layer 21 and the thickness T2 of the second metal layer 22 is 1.0 or more and preferably 10.0 or less.
  • the ceramic plate material 23 is provided in order to reduce the difference in linear expansion between the heat sink 2 and the insulating circuit board 1, and silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • AlN aluminum nitride
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • a zirconia reinforced alumina substrate or the like, and its thickness T3 is set to 0.2 mm to 1.2 mm.
  • the planar size of the first metal layer 21, the second metal layer 22, and the ceramic plate member 23 is larger than that of the ceramic substrate 11 and is not particularly limited. However, all are set to the same size, for example, 50 mm to 180 mm ⁇ 60 mm to It is set to 140 mm.
  • plate material 23 is more preferably comprised by silicon nitride.
  • the ceramic substrate 11 is larger than the circuit layer 12 and the heat sink 2 (the first metal layer 21, the second metal layer 21 is larger than the ceramic substrate 11 as shown in FIG.
  • the metal layer 22 and the ceramic plate 23) are large.
  • the heat sink 2 has a structure in which the ceramic plate material 23 is built inside the first metal layer 21 and the second metal layer 22 made of copper or a copper alloy.
  • a method of manufacturing an insulating circuit board 100 with a heat sink is obtained by joining a circuit layer metal plate 120 and a metal layer metal plate 130 made of pure aluminum or an aluminum alloy to a ceramic substrate 11.
  • Manufacturing process FIG. 3A
  • heat sink manufacturing process FIG. 3B
  • insulated circuit board 1 and the heat sink 2 FIG. 3C
  • the circuit layer metal plate 120 and the metal layer metal plate 130 are joined to the ceramic substrate 11 using an Al—Si brazing material.
  • a circuit layer metal plate 120 and a metal layer metal plate 130 are laminated on the front surface (upper surface) and back surface (lower surface) of the ceramic substrate 11 with an Al—Si brazing foil 14 interposed therebetween, respectively.
  • These laminates are sandwiched between carbon plates and heated in a vacuum while applying a load in the laminating direction, thereby joining the ceramic substrate 11 to the circuit layer metal plate 120 and the metal layer metal plate 130.
  • the circuit layer 12 is bonded to the surface (upper surface) of the ceramic substrate 11 via the bonding portion (brazing portion), and the metal layer 13 is bonded to the rear surface (lower surface) via the bonding portion (brazing portion). Insulated circuit board 1 is formed.
  • the pressing force in the stacking direction is preferably 0.3 MPa to 1.5 MPa, and the heating temperature is preferably 630 ° C. or more and 655 ° C. or less.
  • the Al—Si brazing foil may have a thickness of 5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • an Al—Ge based, Al—Cu based, Al—Mg based, Al—Mn based, or Al—Si—Mg based brazing material can also be used.
  • the metal plates 220 for the second metal layer having a thickness of 0.3 mm to 3.0 mm and T1 or less are joined using an Ag—Cu—Ti brazing material.
  • the metal plate 210 for the first metal layer and the second metal layer are disposed on the front surface (upper surface) and the back surface (lower surface) of the ceramic plate material 23 with an Ag—Cu—Ti brazing material foil 14 interposed therebetween, respectively.
  • the metal plates 220 are laminated, these laminates are sandwiched between carbon plates, and heated in a vacuum while applying a load in the laminating direction, whereby the ceramic plate material 23, the first metal layer metal plate 210, and the second metal layer.
  • the metal plate 220 is joined.
  • the first metal layer 21 having a thickness T1 of 0.3 mm to 3.0 mm is bonded to the front surface (upper surface) of the ceramic plate material 23 via the bonding portion (brazing portion), and the thickness is applied to the rear surface (lower surface).
  • a heat sink 2 is formed in which a second metal layer 22 having a T2 of 0.3 mm to 3.0 mm and a thickness T1 or less of the first metal layer 21 is bonded via a bonding portion (brazing portion).
  • the pressure in the stacking direction is preferably 0.1 MPa to 1.0 MPa, and the heating temperature is preferably 800 ° C. to 930 ° C.
  • the Ag—Cu—Ti brazing foil may have a thickness of 5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • a Cu—P brazing material can also be used.
  • the insulating circuit board 1 and the heat sink 2 are solid phase diffusion bonded.
  • the metal layer 13 of the insulating circuit board 1 is laminated on the heat sink 2, and the laminated body is heated to the bonding temperature in a vacuum atmosphere in a state where the laminated body is pressurized in the lamination direction.
  • the metal layer 13 and the heat sink 2 are solid-phase diffusion bonded.
  • the applied pressure is, for example, 0.5 MPa to 2.0 MPa
  • the heating temperature is 500 ° C. to 540 ° C.
  • this pressurization and heating state is maintained for 30 minutes to 120 minutes.
  • the metal layer 13 and the heat sink 2 are joined, and as shown in FIG. 1, the insulated circuit board 100 with a heat sink is obtained.
  • the joint surface of the metal layer 13 and the joint surface of the heat sink 2 are solid phase diffusion bonded after the scratches are removed and smoothed in advance.
  • the heat sink is composed of a single plate of copper or copper alloy, since the linear expansion difference with the metal layer 13 made of aluminum or aluminum alloy of the insulating circuit board 1 is large, The shrinkage rate at a low temperature is different, and the warpage of the insulating circuit board 100 with the heat sink increases.
  • the first metal layer 21 bonded to the metal layer 13 of the insulating circuit board 1, the ceramic plate material 23 bonded to the first metal layer 21, and the ceramic plate material 23 are bonded.
  • the heat sink 2 is constituted by the second metal layer 22. That is, since the ceramic plate material 23 is built inside the first metal layer 21 and the second metal layer 22 made of copper or copper alloy, the linear expansion coefficient of the heat sink 2 can be reduced, and the insulating circuit board 1 can be reduced. The difference in linear expansion can be reduced.
  • the thickness T1 of the first metal layer 21 is 0.3 mm or more and 3.0 mm or less and the thickness T2 of the second metal layer 22 is more than T2 (T1 ⁇ T2), the heat dissipation effect of the heat sink 2 is maintained.
  • the warpage of the heat sink 2 can be suppressed, and as a result, the amount of warpage change between the high temperature and the low temperature of the insulated circuit board 100 with the heat sink can be further suppressed.
  • the circuit layer 12 is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the circuit layer 12 is not limited thereto, and may be made of oxygen-free copper, for example. That is, the composition of the circuit layer 12 does not matter.
  • the insulating circuit board 100 with a heat sink is used as a power module board with a heat sink.
  • the insulating circuit board 100 with a heat sink can be used as various insulating boards such as an LED element substrate. You can also.
  • Insulating circuit boards constituting the samples of Examples 1 to 18, Comparative Examples 1 to 3 and the conventional example include a ceramic layer having a thickness of 0.635 mm, a planar size of 120 mm ⁇ 90 mm, and a circuit layer having a thickness of 0.4 mm and A metal layer having a thickness of 0.4 mm was manufactured by the manufacturing method described in the above embodiment, and circuit layers and metal layers having the compositions shown in Table 1 were prepared.
  • the heat sinks constituting the materials of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 to 3 include a first metal layer made of oxygen-free copper on a ceramic substrate having a thickness of 0.32 mm and a planar size of 140 mm ⁇ 100 mm, and The second metal layer was manufactured by the manufacturing method described in the above embodiment, and the first metal layer and the second metal layer having thicknesses shown in Table 1 were prepared.
  • the heat sink comprised by the single plate of oxygen free copper of thickness 5.0mm and plane size 140mm x 100mm was manufactured.
  • the amount of warpage was measured using a moire type three-dimensional shape measuring machine (Akerometrics thermal warpage / strain measuring machine Thermoire PS200) with the center of the second metal layer of the heat sink (100 mm ⁇ 80 mm range) as the measurement surface. More specifically, the least square surface was obtained from the profile of the measurement surface, and the difference (absolute value) between the highest point and the lowest point was obtained on the basis of the surface to obtain the warpage amount.
  • a moire type three-dimensional shape measuring machine Akerometrics thermal warpage / strain measuring machine Thermoire PS200
  • the least square surface was obtained from the profile of the measurement surface, and the difference (absolute value) between the highest point and the lowest point was obtained on the basis of the surface to obtain the warpage amount.
  • the positive / negative is set according to the warpage state for the warpage amount thus obtained. That is, when the center of the measurement range is closer to the circuit layer side than the surface formed by the four corners of the measurement range (the second metal layer protrudes toward the circuit layer side), and the center of the measurement range is on the surface formed by the four corners of the measurement range Is set to a positive value, and when the center of the measurement range is farther from the circuit layer side than the surface formed by the four corners of the measurement range (the second metal layer protrudes toward the heat sink), the negative value is set.
  • the difference between the amount of warpage when heated at 285 ° C. and the amount of warpage when cooled at 30 ° C. (the amount of warpage when heated at 285 ° C. where positive and negative are set minus the amount of warpage when cooled at 30 ° C. where positive and negative are set)
  • the absolute value of (amount) was defined as the amount of warpage change.
  • the amount of warpage change was as small as 1.20 mm or less, and the evaluation of the element position deviation and the thermal cycle reliability were both “A”. For this reason, it is an effective range that the thickness T1 of the first metal layer of the heat sink is 0.3 mm or more and 3.0 mm or less and the thickness T2 or more (T1 ⁇ T2) of the second metal layer. I understood.
  • Comparative Examples 1 and 2 Although the amount of change in warpage was relatively large, the evaluation of the element position deviation was good “A”. B ". For this reason, when the thickness of the 1st metal layer was 4.0 mm, it turned out that an effective result cannot be obtained.
  • Comparative Example 3 although the evaluation of the reliability of the thermal cycle was good “A”, the warpage change amount was as large as 1.3 mm or more and the element position deviation occurred, so the evaluation was “B”. . For this reason, it turned out that an effective result cannot be obtained when thickness T2 of the 2nd metal layer is larger than thickness T1 of the 1st metal layer.
  • Warpage of an insulated circuit board with a heat sink formed by joining an insulated circuit board having a metal layer and a heat sink having a metal layer having a composition different from the metal layer of the insulated circuit board can be suppressed.

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Abstract

セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が接合されてなる絶縁回路基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクは、前記金属層に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合された銅又は銅合金からなる第２金属層と、を有し、前記第１金属層の厚さＴ１は、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、かつ前記第２金属層の厚さＴ２以上である。

Description

ヒートシンク付き絶縁回路基板
　本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板に関する。本願は、２０１８年３月２７日に出願された特願２０１８－５９６５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板が知られている。
　例えば特許文献１に開示されているヒートシンク付絶縁回路基板は、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等のいずれかからなる回路層が接合され、絶縁層の他方の面に純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板からなる金属層が接合され、この金属層に、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンクが銅層を介して接合されている。この場合、絶縁層と金属層とはろう材を用いて接合され、金属層とヒートシンクとは、その間に介在した銅層との間で固相拡散接合されている。
　このようなヒートシンク付き絶縁回路基板において、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合による反りが発生するおそれがある。そのような反りを防止するため、ヒートシンクの材料として、特許文献２に開示される多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる低膨張係数の複合体を用いることが考えられる。
　特許文献３は、第１のセラミックス基板の一方の面に第１の金属板が接合され、第１のセラミックス基板の他方の面と第２のセラミックス基板の一方の面に第２の金属板が接合され、第２のセラミックス基板の他方の面に複数のフィンを有する板状の放熱部材が接合されてなる金属－セラミックス接合基板（ヒートシンク付き絶縁回路基板）を開示している。この金属－セラミックス接合基板は、第１のセラミックス基板および第２のセラミックス基板をカーボン製の鋳型内に間隔を開けて配置し、アルミニウム合金溶湯を鋳型に流し込んで冷却、固化させることにより形成される。
特開２０１４－６０２１５号公報 特開２０００－２８１４６５号公報 特開２０１７－２１２３１６号公報
　特許文献３に開示されている金属－セラミックス接合基板は、２枚のセラミックス基板を鋳型内に間隔を開けて配置して、溶融状態のアルミニウム合金を鋳型に流し込むことにより製造されるため、全ての金属板、放熱部材およびフィンが同じアルミニウム合金となる。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁回路基板の金属層と異なる組成の金属からなるヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付絶縁回路基板の反りを抑制することを目的とする。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備え、前記ヒートシンクは、前記金属層に接合された銅又は銅合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合された銅又は銅合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、前記第１金属層の前記厚さＴ１は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上である。
　本発明では、ヒートシンクが絶縁回路基板の金属層に接合された第１金属層と、前記第１金属層に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材に接合された第２金属層とにより構成されている。すなわち、銅又は銅合金からなる第１金属層と第２金属層との内側にセラミックス板材が内蔵されているので、このヒートシンクの線膨張係数を小さくでき、絶縁回路基板との線膨張差を小さくできる。これにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板の高温時と低温時との反り変化量を抑制できる。
　また、第１金属層の厚さＴ１を０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下としたのは、第１金属層の厚さＴ１が０．３ｍｍ未満であるとヒートシンクの放熱効果が低下する可能性があり、厚さＴ１が３．０ｍｍを超えると、銅又は銅合金からなる第１金属層の膨張の影響が大きくなり、セラミックス板材との接合体（ヒートシンク）の線膨張が増大するため、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合体であるヒートシンク付き絶縁回路基板の反りが増大するからである。また、第１金属層の厚さＴ１が第２金属層の厚さＴ１未満となると、ヒートシンク付き絶縁回路基板の加熱時に絶縁回路側に凸状に反る可能性があるから、Ｔ１／Ｔ２を１．０以上とする。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１０．０以下であるとよい。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記第２金属層の前記厚さＴ２が０．３以上であるとよい。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記回路層はアルミニウム又はアルミニウム合金により構成され、前記セラミックス基板は窒化アルミニウムにより構成され、前記セラミックス板材は窒化珪素により構成されているとよい。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記金属層と前記第１金属層とは、固相拡散接合しているとよい。
　本発明によれば、金属層を有する絶縁回路基板と、絶縁回路基板の金属層とは異なる組成の金属層を有するヒートシンクとが接合されてなるヒートシンク付絶縁回路基板の反りを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 上記実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板を回路層側から見た平面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［絶縁回路基板の概略構成］
　本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１００は、図１に示すように、絶縁回路基板１にヒートシンク２が接合されてなり、例えば、パワーモジュール用基板として用いられる。このヒートシンク付き絶縁回路基板１００の表面（上面）には、図１の二点鎖線で示すように、素子３０が搭載されパワーモジュールとなる。
　この素子３０は、半導体を備えた電子部品であり、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。この場合、素子３０は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の上面にはんだ３１等により接合されることで、素子３０が回路層１２の上面に搭載される。また、素子３０の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層１２の回路電極部等に接続され、パワーモジュールが製造される。
［絶縁回路基板の構成］
　絶縁回路基板１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された金属層１３とを備える。
　セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する矩形板状の絶縁基板であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア強化アルミナ基板等により形成され、その厚さは０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。なお、セラミックス基板１１の両面に接合される回路層１２及び金属層１３がいずれもアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合には、窒化アルミニウムにより構成されることが好ましい。
　また、セラミックス基板１１の平面サイズは、特に限定されないが、本実施形態では４０ｍｍ～１４０ｍｍ×４０ｍｍ～１００ｍｍに設定されている。
　回路層１２は、セラミックス基板１１の上面（表面）に接合され、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、その厚さは、例えば０．２ｍｍ以上０．９ｍｍである。
　また、回路層１２の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、本実施形態では３６ｍｍ～１３６ｍｍ×３６ｍｍ～９６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の下面（裏面）に接合され、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。その厚さは、例えば０．２ｍｍ～０．９ｍｍである。
　また、金属層１３の平面サイズはセラミックス基板１１よりも小さく、特に限定されないが、本実施形態では３６ｍｍ～１３６ｍｍ×３６ｍｍ～９６ｍｍで回路層１２と同じに設定されている。なお、回路層１２及び金属層１３は、同じ組成で、かつ、同じ厚さ、大きさであることが好ましい。
［ヒートシンクの構成］
　ヒートシンク２は、絶縁回路基板１に接合されて、前記絶縁回路基板１から伝達された熱を放熱する。このヒートシンク２は、絶縁回路基板１の金属層１３に接合された第１金属層２１と、第１金属層２１の下面（裏面）に接合されたセラミックス板材２３と、セラミックス板材２３の下面（裏面）に接合された第２金属層２２とからなる。
　第１金属層２１は、銅又は銅合金からなり、その厚さＴ１は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されている。また、第２金属層２２は、銅又は銅合金からなり、その厚さＴ２は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されている。
　なお、第１金属層２１の厚さが０．３ｍｍ未満であるとヒートシンク２の放熱効果が低下する可能性があり、３．０ｍｍを超えると、セラミックス板材２３との接合体（ヒートシンク２）の線膨張が増大するため、絶縁回路基板１とヒートシンク２との接合体であるヒートシンク付き絶縁回路基板１００の反りが増大する。また、第１金属層２１の厚さが第２金属層２２の厚さよりも小さいと、ヒートシンク２が加熱時に第１金属層２１側に凸状に反る可能性がある。このため、第１金属層２１の厚さＴ１は、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、かつ第２金属層２２の厚さＴ２以上に（第２金属層２２の厚さＴ２と等しいか、厚さＴ２より厚く）設定されている。
　また、第１金属層２１の厚さＴ１と第２金属層２２の厚さＴ２との厚さ比率Ｔ１／Ｔ２は１．０以上であり、１０．０以下であることが好ましい。
　セラミックス板材２３は、ヒートシンク２と絶縁回路基板１との線膨張差を低減させるために設けられており、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア強化アルミナ基板等により形成され、その厚さＴ３は、０．２ｍｍ～１．２ｍｍに設定されている。
　また、第１金属層２１、第２金属層２２及びセラミックス板材２３の平面サイズはセラミックス基板１１よりも大きく、特に限定されないが、いずれも同じ大きさに設定され、例えば、５０ｍｍ～１８０ｍｍ×６０ｍｍ～１４０ｍｍに設定されている。なお、セラミックス板材２３は、その両面に銅又は銅合金からなる第１金属層２１及び第２金属層２２が接合されるため、窒化珪素により構成されることがより好ましい。
　ヒートシンク付き絶縁回路基板１００を回路層１２側から見た場合、図２に示すように、回路層１２よりもセラミックス基板１１が大きく、セラミックス基板１１よりもヒートシンク２（第１金属層２１，第２金属層２２およびセラミックス板材２３）が大きい。
　以上説明したように、ヒートシンク２は、銅又は銅合金からなる第１金属層２１と第２金属層２２との内側にセラミックス板材２３が内蔵された構成となっている。
［ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法］
　次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１００の製造方法について説明する。
　ヒートシンク付き絶縁回路基板１００の製造方法は、図３Ａ～３Ｃに示すように、セラミックス基板１１に純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を接合する絶縁回路基板製造工程（図３Ａ）と、セラミックス板材２３に銅又は銅合金からなる第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を接合するヒートシンク製造工程（図３Ｂ）と、絶縁回路基板１とヒートシンク２とを接合する接合工程（図３Ｃ）と、を有する。以下、この工程順に説明する。
（絶縁回路基板製造工程）
　まず、図３Ａに示すように、セラミックス基板１１に回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０をそれぞれＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いて接合する。具体的には、セラミックス基板１１の表面（上面）及び裏面（下面）に、それぞれＡｌ－Ｓｉ系のろう材箔１４を介在させて回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を積層し、これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２０及び金属層用金属板１３０を接合する。これにより、セラミックス基板１１の表面（上面）に回路層１２が接合部（ろう付け部）を介して接合され、裏面（下面）に金属層１３が接合部（ろう付け部）を介して接合された絶縁回路基板１が形成される。
　なお、積層方向への加圧力は０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａ、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下とするとよい。また、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材の他、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いることもできる。
（ヒートシンク製造工程）
　次に、図３Ｂに示すように、厚さＴ３が０．２ｍｍ～１．２ｍｍのセラミックス板材２３に厚さＴ１が０．３ｍｍ～３．０ｍｍの第１金属層用金属板２１０及び厚さＴ２が０．３ｍｍ～３．０ｍｍかつＴ１以下の第２金属層用金属板２２０をそれぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材を用いて接合する。具体的には、セラミックス板材２３の表面（上面）及び裏面（下面）に、それぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材箔１４を介在させて第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を積層し、これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス板材２３と第１金属層用金属板２１０及び第２金属層用金属板２２０を接合する。これにより、セラミックス板材２３の表面（上面）に厚さＴ１が０．３ｍｍ～３．０ｍｍの第１金属層２１が接合部（ろう付け部）を介して接合され、裏面（下面）に厚さＴ２が０．３ｍｍ～３．０ｍｍで、かつ第１金属層２１の厚さＴ１以下の第２金属層２２が接合部（ろう付け部）を介して接合されたヒートシンク２が形成される。
　また、積層方向への加圧力は０．１ＭＰａ～１．０ＭＰａ、加熱温度は８００℃～９３０℃とするとよい。また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ～１５μｍであるとよい。さらに、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材の他、Ｃｕ－Ｐ系ろう材を用いることもできる。
（接合工程）
　そして、絶縁回路基板１とヒートシンク２とを固相拡散接合する。具体的には、図３Ｃに示すように、絶縁回路基板１の金属層１３をヒートシンク２上に積層し、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、金属層１３とヒートシンク２を固相拡散接合する。この場合の加圧力としては例えば０．５ＭＰａ～２．０ＭＰａ、加熱温度としては５００℃～５４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を３０分～１２０分保持する。これにより、金属層１３とヒートシンク２とが接合され、図１に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００が得られる。
　なお、本実施形態においては、金属層１３の接合面及びヒートシンク２の接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合される。
　ここで、ヒートシンクが銅又は銅合金の一枚板にて構成されている場合、絶縁回路基板１のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３との線膨張差が大きいため、高温時の膨張率や低温時の収縮率が異なり、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００の反りが大きくなる。
　これに対し、本実施形態では、絶縁回路基板１の金属層１３に接合された第１金属層２１と、前記第１金属層２１に接合されたセラミックス板材２３と、前記セラミックス板材２３に接合された第２金属層２２とによりヒートシンク２が構成されている。すなわち、銅又は銅合金からなる第１金属層２１と第２金属層２２との内側にセラミックス板材２３が内蔵されているので、このヒートシンク２の線膨張係数を小さくでき、絶縁回路基板１との線膨張差を小さくできる。
　また、第１金属層２１の厚さＴ１が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、かつ第２金属層２２の厚さＴ２以上（Ｔ１≧Ｔ２）であるので、ヒートシンク２の放熱効果を維持しつつ、ヒートシンク２の反りを抑制でき、ひいてはヒートシンク付き絶縁回路基板１００の高温時と低温時との反り変化量をさらに抑制できる。
　その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、上記実施形態では、回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることとしたが、これに限らず、例えば、無酸素銅により構成されてもよい。すなわち、回路層１２の組成は問わない。
　また、上記実施形態では、ヒートシンク付き絶縁回路基板１００をヒートシンク付きパワーモジュール用基板として用いる例を説明したが、このヒートシンク付き絶縁回路基板１００は、ＬＥＤ素子用基板等、各種の絶縁基板として用いることもできる。
　次に、本発明の効果について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
　実施例１～１８、比較例１～３及び従来例の試料を構成する絶縁回路基板としては、厚さ０．６３５ｍｍ、平面サイズが１２０ｍｍ×９０ｍｍのセラミックス基板に厚さ０．４ｍｍの回路層及び厚さ０．４ｍｍの金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造し、回路層及び金属層については、表１に示す組成のものを用意した。
　また、実施例１～１８及び比較例１～３の資料を構成するヒートシンクとしては、厚さ０．３２ｍｍ、平面サイズが１４０ｍｍ×１００ｍｍのセラミックス基板に無酸素銅により構成される第１金属層及び第２金属層を上記実施形態で述べた製造方法により製造し、第１金属層及び第２金属層については、表１に示す厚さのものを用意した。なお、従来例については、厚さ５．０ｍｍ、平面サイズが１４０ｍｍ×１００ｍｍの無酸素銅の一枚板により構成されるヒートシンクを製造した。
　そして、これら絶縁回路基板とヒートシンクとを上記実施形態で述べた接合方法により接合し、得られた試料（実施例１～１８，比較例１～３，および従来例）について下記の実験を行った。
（反り変化量）
　得られた各試料につき、３０℃から２８５℃に加熱した後冷却して３０℃とする一連の加熱試験において、２８５℃加熱時の反り量及び２８５℃に加熱した後冷却して３０℃となった際の反り量（３０℃冷却時の反り量）をそれぞれ測定し、温度変化による各試料の変形を反り変化量として確認した。
　反り量はモアレ式三次元形状測定機（Ａｋｒｏｍｅｔｒｉｘ社製熱反り・歪み測定機　Ｔｈｅｒｍｏｉｒｅ　ＰＳ２００）を用いて、ヒートシンクの第２金属層の中央（１００ｍｍ×８０ｍｍの範囲）を測定面として測定した。より具体的には、測定面のプロファイルから最小二乗面を求め、その面を基準として最高点と最低点との差（絶対値）を求めて反り量を得た。
　このように得られた反り量について反り状態に応じて正負を設定する。すなわち、測定範囲の中心が測定範囲の四隅が形成する面よりも回路層側に近い場合（第２金属層が回路層側に凸）および測定範囲の中心が測定範囲の四隅が形成する面上となる場合は正の値、測定範囲の中心が測定範囲の四隅が形成する面よりも回路層側から遠い場合（第２金属層がヒートシンク側に凸）は負の値として設定した。
　このように正負が設定された２８５℃加熱時の反り量及び３０℃冷却時の反り量の差（正負が設定された２８５℃加熱時の反り量－正負が設定された３０℃冷却時の反り量）の絶対値を反り変化量とした。
（素子位置ずれの評価）
　素子位置ずれの評価は、電子部品を回路層にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を、試料を３０個製作して確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を不合格とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は合格と評価した。
　そして、試料３０個について行った各評価において、合格の比率が９０％以上の場合を良「Ａ」、合格の比率が９０％未満の場合を否「Ｂ」と評価した。
（冷熱サイクル信頼性の評価）
　また、実施例１～１８、比較例１～３及び従来例のヒートシンク付き絶縁回路基板に対して、－５０℃～１７５℃の間で１０００回変化させる温度サイクル試験を実行した後、絶縁回路基板のセラミックス基板に割れがあるか否かを目視にて判定した。この際、セラミックス基板に割れがあるものを否「Ｂ」、セラミックス基板に割れがないものを良「Ａ」と判定した。反り変化量、素子位置ずれの評価及び冷熱サイクル信頼性の評価について、表２に結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２からわかるように、実施例１～１８では、反り変化量が１．２０ｍｍ以下と小さく、素子位置ずれ及び冷熱サイクル信頼性の評価がいずれも良「Ａ」であった。このため、ヒートシンクの第１金属層の厚さＴ１が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、かつ第２金属層の厚さＴ２以上（Ｔ１≧Ｔ２）であることが有効な範囲であることがわかった。
　一方、比較例１及び２は、反り変化量は比較的大きいものの素子位置ずれの評価は良「Ａ」であったが、上記冷熱サイクル試験の結果、セラミックス基板が割れたので、評価が否「Ｂ」であった。このため、第１金属層の厚さが４．０ｍｍの場合は、有効な結果を得られないことがわかった。また、比較例３は、冷熱サイクル信頼性の評価が良「Ａ」であったものの、反り変化量が１．３ｍｍ以上と大きく、素子位置ずれが発生したため、評価が否「Ｂ」であった。このため、第１金属層の厚さＴ１よりも第２金属層の厚さＴ２が大きい場合は、有効な結果を得られないことがわかった。
　金属層を有する絶縁回路基板と、絶縁回路基板の金属層とは異なる組成の金属層を有するヒートシンクとが接合されてなるヒートシンク付絶縁回路基板の反りを抑制できる。
１　絶縁回路基板
２　ヒートシンク
１１　セラミックス基板
１２　回路層
１３　金属層
１４　ろう材箔
２１　第１金属層
２２　第２金属層
２３　セラミックス板材
３０　素子
３１　はんだ
１００　ヒートシンク付き絶縁回路基板
１２０　回路層用金属板
１３０　金属層用金属板
２１０　第１金属層用金属板
２２０　第２金属層用金属板

Claims (5)

  1. 　セラミックス基板、前記セラミックス基板の一方の面に接合された回路層、および前記セラミックス基板の他方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を備える絶縁回路基板と；前記金属層に接合されたヒートシンクと；を備えるヒートシンク付絶縁回路基板であって、
    　前記ヒートシンクは、前記金属層に接合された銅又は銅合金からなる厚さＴ１の第１金属層と、前記第１金属層の前記金属層とは反対側の面に接合されたセラミックス板材と、前記セラミックス板材の前記第１金属層とは反対側の面に接合された銅又は銅合金からなる厚さＴ２の第２金属層と、を有し、
    　前記第１金属層の前記厚さＴ１は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１．０以上であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。
  2. 　前記厚さ比率Ｔ１／Ｔ２が１０．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
  3. 　前記第２金属層の前記厚さＴ２が０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
  4. 　前記回路層は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成され、
    　前記セラミックス基板は、窒化アルミニウムにより構成され、
    　前記セラミックス板材は、窒化珪素により構成されている
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
  5. 　前記金属層と前記第１金属層とは、固相拡散接合していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
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