(57)【要約】  本発明は、放熱回路基板及び電子デバイスに関する。パワー半導体用の放熱回路基板において、表面（１２ａ）にパワー半導体が実装される電極材（１２）と、電極材（１２）の表面（１２ａ）側に接合された部材（１４）と、を有する。部材（１４）は、電極材（１２）よりも熱膨張係数が小さく、且つ、ヤング率が大きい材料からなる。
2015022994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体用の放熱回路基板において、
表面（１２ａ）に前記パワー半導体（２０）が実装される電極材（１２）と、
前記電極材（１２）の表面（１２ａ）側に接合された部材（１４）と、を有し、
前記部材（１４）は、前記電極材（１２）よりも熱膨張係数が小さく、且つ、ヤング率が大きい材料からなることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項２】
請求項１記載の放熱回路基板において、
前記部材（１４）は、前記電極材（１２）の表面（１２ａ）の外周に沿って環状に形成されていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項３】
請求項１記載の放熱回路基板において、
複数の前記部材（１４）が前記電極材（１２）の表面（１２ａ）の外周に沿って配列されていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項４】
請求項１記載の放熱回路基板において、
２つの前記部材（１４）が線対称の位置に接合されていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱回路基板において、
前記部材（１４）は、その一部が、前記電極材（１２）の表面（１２ａ）の外周よりも横方向に張り出していることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱回路基板において
前記部材（１４）は、その全体が、前記電極材（１２）の表面（１２ａ）内に接合されていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱回路基板において、
前記電極材（１２）の表面（１２ａ）の一部に窪み（３０）を有し、
前記部材（１４）は、前記窪み（３０）に接合されていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の放熱回路基板において、
さらに、前記電極材（１２）の裏面（１２ｂ）に接合されたセラミック基板（２６）を有することを特徴とする放熱回路基板。
【請求項９】
請求項８記載の放熱回路基板において、
前記部材（１４）と前記セラミック基板（２６）として、当該放熱回路基板に反りが発生するのを抑制するように、少なくとも物性及び厚みが調整されたものが用いられていることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の放熱回路基板において、
前記部材（１４）の構成材料は、前記セラミック基板（２６）と同様のセラミック材料であることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の放熱回路基板において、
前記セラミック基板（２６）の構成材料は窒化珪素であることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の放熱回路基板において、
さらに、前記セラミック基板（２６）の端面に接合された別の電極材（２８）を有することを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１３】
請求項１２記載の放熱回路基板において、
前記電極材（１２）の厚みは、前記別の電極材（２８）の厚みよりも大きいことを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１４】
請求項１３記載の放熱回路基板において、
前記セラミック基板（２６）の厚みをｔｂ、前記電極材（１２）の厚みをｔ１、前記別の電極材（２８）の厚みをｔ２としたとき、
ｔ１＞ｔｂ＞ｔ２
であることを特徴とする放熱回路基板。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の放熱回路基板と、
前記放熱回路基板の前記電極材（１２）の表面（１２ａ）に実装されたパワー半導体（２０）と、を有することを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱回路基板及び電子デバイスに関し、例えばバイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体の放熱用として好適な放熱回路基板と、該放熱回路基板を用いた電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワー半導体用の放熱回路基板として、放熱部材としての電極材とヒートスプレッダー部材とを熱伝導シートを介して接着されたものが提案されている。電極材の表面には半田等の接合層を介してパワー半導体が実装される（特開２００８−１５３４３０号公報参照）。
【発明の概要】
【０００３】
上述した電極材は、放熱機能、並びに瞬間的な発熱を緩衝するバッファー層としての機能を併せ持つことが必要であり、高い熱伝導性と高い熱容量が求められる。そこで、電極材の熱容量をより高めるために、電極材を厚くすることが考えられる。
【０００４】
しかしながら、電極材を厚くすると、パワー半導体と電極材とを接合している接合層への熱応力が増加するため、使用時の熱サイクルによって、接合層にクラック（亀裂）が発生したり、パワー半導体が割れるおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、熱サイクル時に発生する電極材の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層への熱応力を緩和することができると共に、熱容量の増大を図ることができる放熱回路基板及び電子デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
［１］  第１の本発明に係る放熱回路基板は、パワー半導体用の放熱回路基板において、表面に前記パワー半導体が実装される電極材と、前記電極材の表面側に接合された部材と、を有し、前記部材は、前記電極材よりも熱膨張係数が小さく、且つ、ヤング率が大きい材料からなることを特徴とする。
【０００７】
電極材の表面側に部材を接合したので、熱サイクル時に発生する電極材の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体が実装される面の熱膨張を抑制することができ、パワー半導体の実装にて使用される接合層に加わる熱応力を緩和することができる。そのため、接合層へのクラックの発生を抑制することができる。また、電極材の厚みを増やすことが可能となり、熱容量の増大も図ることができる。
【０００８】
［２］  第１の本発明において、前記部材は、前記電極材の表面の外周に沿って環状に形成されていてもよい。
【０００９】
［３］  第１の本発明において、複数の前記部材が前記電極材の表面の外周に沿って配列されていてもよい。
【００１０】
［４］  第１の本発明において、２つの前記部材が線対称の位置に接合されていてもよい。
【００１１】
［５］  第１の本発明において、前記部材は、その一部が、前記電極材の表面の外周よりも横方向に張り出していてもよい。この場合、電極材の表面に部材を接合する際の位置合わせが容易であり、工数の低減、歩留りの向上、生産性の向上を図ることができる。
【００１２】
［６］  第１の本発明において、前記部材は、その全体が、前記電極材の表面内に接合されていてもよい。この場合、部材の構成材料の量が少なくて済み、製造コストの低減を図ることができる。
【００１３】
［７］  第１の本発明において、前記電極材の表面の一部に窪みを有し、前記部材は、前記窪みに接合されていてもよい。この場合、パワー半導体が実装される面（電極材の表面）が部材の表面とほぼ同じ、あるいは部材の表面よりも高くなるため、パワー半導体の実装性の向上を図ることができる。
【００１４】
［８］  第１の本発明において、さらに、前記電極材の裏面に接合されたセラミック基板を有してもよい。これにより、反りの発生を抑制することができる。電極材の厚みを増大できることから、熱抵抗を有効に低減することができる。
【００１５】
［９］  この場合、前記部材と前記セラミック基板として、当該放熱回路基板に反りが発生するのを抑制するように、少なくとも物性及び厚みが調整されたものが用いられていることが好ましい。これは、部材とセラミック基板の熱膨張係数、ヤング率から、それぞれの厚みを調整することによって達成することができる。例えば、部材とセラミック基板のヤング率が同等の場合、部材の熱膨張係数がセラミック基板よりも小さいのであれば、部材の厚みは、セラミック基板よりも薄くする。
【００１６】
［１０］  前記部材の構成材料は、前記セラミック基板と同様のセラミック材料であることが好ましい。
【００１７】
［１１］  前記セラミック基板の構成材料は窒化珪素であることが好ましい。窒化珪素は、熱伝導率が高いだけでなく、「強度」、「靱性」も高く、熱サイクルによるセラミック基板のクラック（亀裂）や割れに対する耐性が高いため好適に用いられる。
【００１８】
［１２］  さらに、前記セラミック基板の端面に接合された別の電極材を有してもよい。これにより、別の電極材の端面にヒートシンクを半田付けやろう材にて接合することが可能となる。
【００１９】
［１３］  前記電極材の厚みは、前記別の電極材の厚みよりも大きいことが好ましい。電極材の厚みを増大することで、熱抵抗を有効に低減することができる。
【００２０】
［１４］  この場合、前記セラミック基板の厚みをｔｂ、前記電極材の厚みをｔ１、前記別の電極材の厚みをｔ２としたとき、
ｔ１＞ｔｂ＞ｔ２
であってもよい。
【００２１】
［１５］  第２の本発明に係る電子デバイスは、上述した第１の本発明に係る放熱回路基板と、該放熱回路基板の前記電極材の表面に実装されたパワー半導体とを有することを特徴とする。
【００２２】
以上説明したように、本発明に係る放熱回路基板及び電子デバイスによれば、熱サイクル時に発生する電極材の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層への熱応力を緩和することができると共に、熱容量の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１Ａは第１の本実施の形態に係る放熱回路基板（第１放熱回路基板）を上面から見て示す平面図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＩＢ−ＩＢ線上の断面図である。
【図２】図２Ａは第１の本実施の形態に係る電子デバイス（第１電子デバイス）を示す縦断面図であり、図２Ｂは第１電子デバイスの他の例を示す縦断面図であり、図２Ｃは第１電子デバイスのさらに他の例を示す縦断面図である。
【図３】図３Ａは第１放熱回路基板の第１変形例を上面から見て示す平面図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線上の断面図である。
【図４】図４Ａは第１放熱回路基板の第２変形例を上面から見て示す平面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＩＶＢ−ＩＶＢ線上の断面図である。
【図５】図５Ａは第１放熱回路基板の第３変形例を上面から見て示す平面図であり、図５Ｂは図５ＡにおけるＶＢ−ＶＢ線上の断面図である。
【図６】図６Ａは第１放熱回路基板の第４変形例を上面から見て示す平面図であり、図６Ｂは図６ＡにおけるＶＩＢ−ＶＩＢ線上の断面図である。
【図７】図７Ａは第１放熱回路基板の第５変形例を上面から見て示す平面図であり、図７Ｂは図７ＡにおけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線上の断面図である。
【図８】図８Ａは第１放熱回路基板の第６変形例を上面から見て示す平面図であり、図８Ｂは図８ＡにおけるＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線上の断面図である。
【図９】図９Ａは第１放熱回路基板の第７変形例を示す縦断面図であり、図９Ｂは第７変形例において別の電極材（第２電極材）の端面にヒートシンクを接合した形態を示す縦断面図である。
【図１０】図１０Ａは第２の本実施の形態に係る放熱回路基板（第２放熱回路基板）を上面から見て示す平面図であり、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＸＢ−ＸＢ線上の断面図である。
【図１１】図１１Ａは第２放熱回路基板において窪みの深さを部材の厚みより浅くした形態を示す縦断面図であり、図１１Ｂは第２放熱回路基板において窪みの深さを部材の厚みより深くした形態を示す縦断面図である。
【図１２】図１２Ａは第２の本実施の形態に係る電子デバイス（第２電子デバイス）を示す縦断面図であり、図１２Ｂは第２電子デバイスの他の例を示す縦断面図であり、図１２Ｃは第２電子デバイスのさらに他の例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る放熱回路基板の実施の形態例を図１〜図１２Ｃを参照しながら説明する。なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
【００２５】
先ず、第１の本実施の形態に係る放熱回路基板（以下、第１放熱回路基板１０Ａと記す）は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、表面にパワー半導体が実装される電極材１２と、該電極材１２の表面側に接合された部材１４とを有する。部材１４は、電極材１２よりも熱膨張係数が小さく、且つ、ヤング率が大きい材料から構成される。
【００２６】
電極材１２は、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）を始めとする高熱伝導率の金属板にて構成することができる。
【００２７】
部材１４の好ましい構成材料としては、セラミックス、半導体、金属等が挙げられる。セラミックスは、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＣ（炭化珪素）、コージェライト、ムライト等が挙げられ、半導体は、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ等が挙げられる。金属は、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｉｒ（イリジウム）、又はこれらを主成分とする合金（ＣｕＭｏ、ＣｕＷ等）が挙げられる。
【００２８】
部材１４は、厚みが１００μｍ以上、１ｍｍ以下、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましい。また、ヤング率は電極材１２よりも大きいことが好ましい。電極材１２が例えば銅であれば、１３０ＧＰａ以上が好ましい。後述する熱サイクルにおける接合層１８へのクラックの発生を効果的に防止することができる。
【００２９】
また、部材１４と電極材１２との接合については、部材１４の構成材料がセラミックス又は半導体であれば、Ａｇ（銀）−Ｃｕろう等によるろう付けを用いることができる。部材１４の構成材料が金属材料であれば、ろう付けだけでなく、溶射等のコーティングも用いることができる。
【００３０】
そして、この第１放熱回路基板１０Ａは、電極材１２の表面１２ａ（平坦面）上に環状の部材１４が接合されている。特に、図１Ａ及び図１Ｂの例では、部材１４は、電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って環状に形成されている。ここで、「電極材１２の表面１２ａ」とは、パワー半導体２０（図２Ａ参照）が実装される面（例えば図１Ｂでは上面）をいい、裏面とは、表面１２ａと対向する面（例えば図１Ｂでは下面）をいう。
【００３１】
電極材１２の形状は、様々な形状が挙げられるが、図１Ａでは、上面から見て、長方形状とされている。部材１４の中央部には、同じく長方形状の孔１６が形成され、この孔１６を通じて電極材１２の表面１２ａが露出している。また、電極材１２の厚みをｔ１、部材１４の厚みをｔａとしたとき、ｔ１＞ｔａである。
【００３２】
電極材１２の外形形状は、上述した長方形状のほか、正方形状、円形状、楕円形状、トラック形状、三角形状、五角形、六角形等の多角形状等が挙げられる。
【００３３】
そして、図２Ａに示すように、電極材１２の表面１２ａに半田等の接合層１８を介してパワー半導体２０が実装されることで、第１の本実施の形態に係る電子デバイス（以下、第１電子デバイス２２Ａ）が構成される。もちろん、図２Ｂに示すように、さらに、電極材１２の裏面１２ｂにヒートシンク２４を接合して第１電子デバイス２２Ａを構成してもよい。また、図２Ｃに示すように、電極材１２の裏面１２ｂとヒートシンク２４との間に、例えばＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁基板２３を介在させてもよい。この場合、電極材１２と絶縁基板２３との間、並びに絶縁基板２３とヒートシンク２４との間に、それぞれ伝熱グリースやＴＩＭ（サーマル・インターフェース・マテリアル）等２５を挟んで接合してもよい。なお、図２Ａ〜図２Ｃ等では、パワー半導体２０の高さを、部材１４の厚みよりも薄く図示されているが、これに限定されるものではない。
【００３４】
この第１放熱回路基板１０Ａにおいては、電極材１２の表面１２ａに部材１４を接合したので、熱サイクル時に発生する電極材１２の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体２０が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層１８に加わる熱応力を緩和することができる。そのため、接合層１８へのクラックの発生を抑制することができる。また、電極材１２の厚みｔ１を増やすことが可能となり、熱容量の増大も図ることができる。
【００３５】
次に、第１放熱回路基板１０Ａのいくつかの変形例について図３Ａ〜図９Ｂを参照しながら説明する。
【００３６】
先ず、部材１４を上面から見た縦方向の長さＤ１ｙ及び横方向の長さＤ１ｘと電極材１２の縦方向の長さＬ１ｙ及び横方向の長さＬ１ｘとの関係は、以下の関係のいずれを採用してもよい。
（Ａ−１）  Ｄ１ｙ＝Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＝Ｌ１ｘ
（Ａ−２）  Ｄ１ｙ＞Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＝Ｌ１ｘ
（Ａ−３）  Ｄ１ｙ＜Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＝Ｌ１ｘ
（Ａ−４）  Ｄ１ｙ＝Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＞Ｌ１ｘ
（Ａ−５）  Ｄ１ｙ＞Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＞Ｌ１ｘ
（Ａ−６）  Ｄ１ｙ＜Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＞Ｌ１ｘ
（Ａ−７）  Ｄ１ｙ＝Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＜Ｌ１ｘ
（Ａ−８）  Ｄ１ｙ＞Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＜Ｌ１ｘ
（Ａ−９）  Ｄ１ｙ＜Ｌ１ｙ、Ｄ１ｘ＜Ｌ１ｘ
【００３７】
このうち、（Ａ−１）の例が上述した第１放熱回路基板１０Ａ（図１Ａ及び図１Ｂ参照）である。
【００３８】
（Ａ−２）、（Ａ−４）、（Ａ−５）、（Ａ−６）及び（Ａ−８）の例は、部材１４の一部が、電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃよりも横方向に張り出している例を示し、代表的に、（Ａ−５）の例（第１変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａａ）を図３Ａ及び図３Ｂに示す。この第１変形例では、電極材１２の表面１２ａに部材１４を接合する際の位置合わせが容易であり、工数の低減、歩留りの向上、生産性の向上を図ることができる。
【００３９】
（Ａ−３）、（Ａ−７）、（Ａ−９）の例は、部材１４の全体が、電極材１２の表面１２ａ内に接合されている例を示し、代表的に、（Ａ−９）の例（第２変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｂ）を図４Ａ及び図４Ｂに示す。この第２変形例では、部材１４の構成材料の量が少なくて済み、製造コストの低減を図ることができる。
【００４０】
第３変形例及び第４変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｃ及び１０Ａｄは、第１放熱回路基板１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、図５Ａ〜図６Ｂに示すように、複数の部材１４が電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って配列されている点で異なる。これら第３変形例及び第４変形例では、部材１４の製造が簡単であり、工数の低減、歩留りの向上、生産性の向上を図ることができる。
【００４１】
第３変形例では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、直線状に延びる４つの平板状の部材１４が電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って配列されている。第４変形例では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、Ｌ字状に屈曲した２つの平板状の部材１４が電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って配列されている。
【００４２】
第５変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｅは、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、上述した第３変形例から一部の部材１４を除いた構成を有する。図７Ａ及び図７Ｂでは、長辺がそれぞれ同じ方向に延びる２つの部材１４を接合した（直線状に延びる２つの部材１４をそれぞれ線対称の位置に接合した）例を示す。この第５変形例では、部材１４の構成材料の量が少なくて済み、製造コストの低減を図ることができる。
【００４３】
第６変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｆは、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、電極材１２の裏面１２ｂにセラミック基板２６が接合されている点で異なる。
【００４４】
セラミック基板２６を上面から見た縦方向の長さＤ２ｙ及び横方向の長さＤ２ｘは、電極材１２の縦方向の長さＬ１ｙ及び横方向の長さＬ１ｘよりも長く設定されている。セラミック基板２６としては、ＡｌＮやＳｉ3Ｎ4のような高熱伝導率のセラミックスにて構成することができる。電極材１２とセラミック基板２６との接合は、直接接合でもよいし、もしくは、上述したろう材を介して接合してもよい。
【００４５】
また、電極材１２の厚みをｔ１、部材１４の厚みをｔａ、セラミック基板２６の厚みをｔｂとしたとき、
ｔａ≒ｔｂ
ｔ１＞ｔｂ
となっている。
【００４６】
この第６変形例においては、電極材１２の裏面１２ｂにもセラミック基板２６を接合したので、反りの発生を抑制することができる。また、電極材１２の厚みｔ１を増大できることから、熱抵抗を有効に低減することができる。
【００４７】
なお、部材１４とセラミック基板２６として、第１放熱回路基板１０Ａに反りが発生するのを抑制するように、少なくとも物性及び厚みが調整されたものを用いることが好ましい。これは、部材１４とセラミック基板２６の熱膨張係数、ヤング率から、それぞれの厚みを調整することによって達成することができる。例えば、部材１４とセラミック基板２６のヤング率が同等の場合、部材１４の熱膨張係数がセラミック基板２６よりも小さいのであれば、部材１４の厚みは、セラミック基板２６よりも薄くすることである。また、部材１４とセラミック基板２６の構成材料を同種にすること、例えば部材１４の構成材料をセラミックにすることが挙げられる。具体的には、セラミック基板２６の構成材料を例えばＳｉ3Ｎ4としたとき、部材１４もＳｉ3Ｎ4とすること等である。Ｓｉ3Ｎ4は、熱伝導率が高いだけでなく、「強度」、「靱性」も高く、熱サイクルによるセラミック基板２６のクラック（亀裂）や割れに対する耐性が高いため好適に用いられる。
【００４８】
第７変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｇは、上述した第６変形例とほぼ同様の構成を有するが、図９Ａに示すように、セラミック基板２６の裏面に別の電極材２８が接合されている点で異なる。この第７変形例では、セラミック基板２６の表面に接合された電極材１２を第１電極材１２と記し、セラミック基板２６の裏面に接合された別の電極材２８を第２電極材２８と記す。
【００４９】
第１電極材１２と第２電極材２８の縦方向の長さ及び横方向の長さはそれぞれほぼ同じとされている。
【００５０】
また、セラミック基板２６の厚みをｔｂ、第１電極材１２の厚みをｔ１、第２電極材２８の厚みをｔ２としたとき、
ｔ１＞ｔｂ＞ｔ２
となっている。
【００５１】
この第７変形例においては、上述した第６変形例と同様に、反りの発生を抑制することができ、しかも、第１電極材１２の厚みｔ１を増大できることから、熱抵抗を有効に低減することができる。また、図９Ｂに示すように、第２電極材２８の端面にヒートシンク２４を半田付けやろう材にて接合することが可能である。
【００５２】
次に、第２の本実施の形態に係る放熱回路基板（以下、第２放熱回路基板１０Ｂと記す）について、図１０Ａ〜図１２Ｃを参照しながら説明する。
【００５３】
第２放熱回路基板１０Ｂは、上述した第１放熱回路基板１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、電極材１２の表面１２ａの一部に窪み３０（図１０Ｂ参照）を有し、窪み３０に部材１４が埋め込まれ接合されている点で異なる。
【００５４】
窪み３０は、電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って環状に形成され、特に、図１０Ａ及び図１０Ｂの例では、電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃは、窪み３０の一部を構成している。つまり、窪み３０は、電極材１２の表面１２ａから側面１２ｄにかけて形成されている。そのため、電極材１２は、肩部分が窪み３０によって切り欠かれた形状を有する。また、部材１４は、窪み３０の環状に沿った形状に形成されている。すなわち、電極材１２の窪み３０を埋めるように部材１４が接合される。部材１４は、窪み３０の底面３０ａから側面３０ｂにかけてＡｇ−Ｃｕろう等のろう材等によって接合されることが好ましい。
【００５５】
窪み３０の深さｔｃは、図１０Ｂに示すように、部材１４の厚みｔａと同じでもよいし、図１１Ａに示すように、部材１４の厚みｔａより浅くてもよい。あるいは、図１１Ｂに示すように、部材１４の厚みｔａより深くてもよい。
【００５６】
そして、図１２Ａに示すように、電極材１２の表面１２ａに半田等の接合層１８を介してパワー半導体２０が実装されることで、第２の本実施の形態に係る電子デバイス（以下、第２電子デバイス２２Ｂと記す）が構成される。もちろん、図１２Ｂに示すように、さらに、電極材１２の裏面１２ｂにヒートシンク２４を接合して第２電子デバイス２２Ｂを構成してもよい。
【００５７】
この第２放熱回路基板１０Ｂにおいても、電極材１２の表面１２ａに部材１４を接合したので、熱サイクル時に発生する電極材１２の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体２０が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層１８に加わる熱応力を緩和することができる。そのため、接合層１８へのクラックの発生を抑制することができる。電極材１２の厚みｔ１を増やすことが可能となり、熱容量の増大も図ることができる。また、パワー半導体２０が実装される面（電極材１２の表面１２ａ）が部材１４の表面とほぼ同じ、あるいは部材１４の表面よりも高くなるため、パワー半導体２０の実装性の向上を図ることができる。
【００５８】
第２放熱回路基板１０Ｂにおいても、上述した第１放熱回路基板１０Ａの各種変形例と同様の構成を採用することができる。
【００５９】
すなわち、部材１４の縦方向の長さＤ１ｙ及び横方向の長さＤ１ｘと電極材１２の縦方向の長さＬ１ｙ及び横方向の長さＬ１ｘとの関係を（Ａ−１）〜（Ａ−９）のいずれもを採用してもよい。
【００６０】
また、複数の部材１４を電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って配列してもよいし、長辺がそれぞれ同じ方向に延びる２つの部材１４を接合してもよい。電極材１２の裏面１２ｂにセラミック基板２６を接合してもよいし、さらに、セラミック基板２６の裏面に別の電極材２８を接合してもよい。また、図１２Ｃに示すように、電極材１２の裏面１２ｂとヒートシンク２４との間に、例えばＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁基板２３を介在させてもよい。この場合、電極材１２と絶縁基板２３との間、並びに絶縁基板２３とヒートシンク２４との間に、それぞれ伝熱グリースやＴＩＭ等２５を挟んで接合してもよい。
【実施例】
【００６１】
［第１実施例］
実施例１〜４、比較例１について、接合層１８へのクラックの有無を評価し、実施例５及び６について接合層１８及びセラミック基板２６へのクラックの有無を評価した。評価結果を後述する表１及び表２に示す。【００６２】
部材１４及びセラミック基板２６のために、曲げ強度が６５０ＭＰａで、厚みが０．３ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）基板を用意した。電極材１２及び別の電極材２８のために、無酸素Ｃｕ板を用意した。また、Ｔｉ活性金属粉末を添加したＡｇ−Ｃｕ系のろう材ペーストを用意した。【００６３】
（実施例１）
実施例１に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１放熱回路基板１０Ａと同様の構成を有する。すなわち、環状の部材１４を使用した（表１において「（環状）」と表記した）。【００６４】
先ず、部材１４にろう材を厚み１０μｍ塗布し、Ｃｕ板（電極材１２）を接合した。電極材１２の厚みｔ１は２ｍｍとした。接合条件は、真空下、温度８００℃、１ＭＰａで加熱加圧接合した。その後、図２Ａに示すように、パワー半導体２０を接合層１８（この場合、半田層）で接合し、実施例１に係る評価サンプルとした。１０個の評価サンプルを作製した。【００６５】
（実施例２）
実施例２に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図５Ａ及び図５Ｂに示す第３変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｃと同様の構成を有する。すなわち、４つの部材１４を電極材１２の表面１２ａの外周１２ｃに沿って配列接合した点（表１において「（分割１）」と表記した）以外は、実施例１と同様にして実施例２に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００６６】
（実施例３）
実施例３に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図７Ａ及び図７Ｂに示す第５変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｅと同様の構成を有する。すなわち、直線状に延びる２つの部材１４をそれぞれ線対称の位置に接合した点（表１において「（分割２）」と表記した）以外は、実施例１と同様にして実施例３に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００６７】
（実施例４）
実施例４に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す第２放熱回路基板１０Ｂと同様の構成を有する。すなわち、電極材１２の表面１２ａの外周部分をエッチングして、環状の窪み３０を形成し、窪み３０に環状の部材１４を埋め込み接合した点（表１において「（埋込）」と表記した）以外は、実施例１と同様にして実施例４に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００６８】
（実施例５）
実施例５に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図８Ａ及び図８Ｂに示す第６変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｆと同様の構成を有する。すなわち、電極材１２の裏面１２ｂにセラミック基板２６を接合した点以外は、実施例１と同様にして実施例５に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００６９】
（実施例６）
実施例６に係る評価サンプルの放熱回路基板は、図９Ａに示す第７変形例に係る第１放熱回路基板１０Ａｇと同様の構成を有する。すなわち、電極材１２の裏面１２ｂにセラミック基板２６を接合し、さらに、セラミック基板２６の端面に別の電極材２８を接合した点以外は、実施例１と同様にして実施例６に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００７０】
（比較例１）
比較例１に係る評価サンプルの放熱回路基板は、電極材１２の表面１２ａに部材１４を接合しなかった点以外は、実施例１と同様にして比較例１に係る１０個の評価サンプルを作製した。【００７１】
＜評価＞
先ず、評価方法として、温度＝−４０℃〜１２５℃の熱サイクル試験を実施した。サイクル数＝１００サイクルとし、１サイクル当たり、−４０℃（低温）下で３０分、１２５℃（高温）下で３０分保持した。熱サイクル試験終了後に、実施例１〜４及び比較例１については、接合層１８へのクラックの発生率を評価し、実施例５及び６については、接合層１８へのクラックの発生率と、セラミック基板２６へのクラックの発生率を評価した。【００７２】
接合層１８へのクラックの発生率は、１０個の評価サンプルのうち、接合層１８にクラックが発生した評価サンプルの個数で表した。セラミック基板２６へのクラックの発生率は、１０個の評価サンプルのうち、セラミック基板２６にクラックが発生した評価サンプルの個数で表した。表１及び２には、クラックが発生した評価サンプルの個数／評価サンプルの母数（＝１０）で表記した。実施例１〜４及び比較例１の評価結果を下記表１に示し、実施例５及び６の評価結果を表２に示す。【００７３】
【表１】
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【００７４】
【表２】
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【００７５】
表１から、実施例１〜４に係る評価サンプルは、いずれも接合層１８にクラックが発生しなかった。これは、電極材１２の表面１２ａに部材１４（セラミック）を接合したことから、熱サイクル時に発生する電極材１２の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体２０が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層１８に加わる熱応力が緩和されたことによるものと考えられる。【００７６】
これに対して、比較例１は、１０個の評価サンプル全てにおいて接合層１８にクラックが発生していた。【００７７】
一方、実施例５及び６は、表２からわかるように、いずれも接合層１８及びセラミック基板２６にクラックが発生しなかった。これは、電極材１２の表面１２ａに部材１４（セラミック）を接合したことにより、実施例１〜４と同様に、接合層１８に加わる熱応力が緩和されたことと、電極材１２の裏面１２ｂにセラミック基板２６を接合したことにより、反りが抑制されたことによるものと考えられる。【００７８】
［第２実施例］
実施例７〜１３について、接合層１８へのクラックの有無を評価した。評価結果を後述する表３に示す。【００７９】
電極材１２のために、無酸素Ｃｕ板を用意した。無酸素Ｃｕ板は、熱膨張係数が１６．５ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が１２９．８ＧＰａである。また、Ｔｉ活性金属粉末を添加したＡｇ−Ｃｕ系のろう材ペーストを用意した。【００８０】
（実施例７）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板を用意した。Ａｌ2Ｏ3基板は、熱膨張係数が７．２ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が３１０ＧＰａである。そして、実施例７に係る評価サンプルのセラミック回路基板は、上述した第１実施例と同様に、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１放熱回路基板１０Ａと同様の構成を有する。すなわち、環状の部材１４を使用した。【００８１】
先ず、部材１４にろう材を厚み１０μｍ塗布し、Ｃｕ板（電極材１２）を接合した。電極材１２の厚みｔ１は２ｍｍとした。接合条件は、真空下、温度８００℃、１ＭＰａで加熱加圧接合した。その後、図２Ａに示すように、パワー半導体２０を接合層１８（この場合、半田層）で接合し、実施例７に係る評価サンプルとした。１０個の評価サンプルを作製した。【００８２】
（実施例８）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのアルミナ−ジルコニア（Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例８に係る１０個の評価サンプルを作製した。Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2基板は、Ａｌ2Ｏ3を８０質量％、ＺｒＯ2を２０質量％含有する。また、熱膨張係数が８．３ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が３８０ＧＰａである。【００８３】
（実施例９）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍの炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例９に係る１０個の評価サンプルを作製した。ＳｉＣ基板は、熱膨張係数が３．８ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が３９０ＧＰａである。【００８４】
（実施例１０）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのジルコニア（ＺｒＯ2）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例１０に係る１０個の評価サンプルを作製した。ＺｒＯ2基板は、熱膨張係数が１０．５ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が２００ＧＰａである。【００８５】
（実施例１１）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのシリコン（Ｓｉ）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例１１に係る１０個の評価サンプルを作製した。Ｓｉ基板は、熱膨張係数が３．９ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が１９０ＧＰａである。【００８６】
（実施例１２）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのタングステン（Ｗ）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例１２に係る１０個の評価サンプルを作製した。Ｗ基板は、熱膨張係数が４．３ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が３４５ＧＰａである。【００８７】
（実施例１３）
部材１４のために、厚みが０．３ｍｍのタングステン−銅（Ｗ−Ｃｕ）基板を用意したこと以外は、上述した実施例７と同様にして、実施例１３に係る１０個の評価サンプルを作製した。Ｗ−Ｃｕ基板は、Ｗを８０質量％、Ｃｕを２０質量％含有する。また、熱膨張係数が８．３ｐｐｍ／Ｋ、ヤング率が２９０ＧＰａである。【００８８】
＜評価＞
上述した第１実施例と同様に、評価方法として、温度＝−４０℃〜１２５℃の熱サイクル試験を実施した。サイクル数＝１００サイクルとし、１サイクル当たり、−４０℃（低温）下で３０分、１２５℃（高温）下で３０分保持した。熱サイクル試験終了後に、接合層１８へのクラックの発生率を評価した。評価結果を下記表３に示す。表３においても、表１と同様に、クラックが発生した評価サンプルの個数／評価サンプルの母数（＝１０）で表記した。【００８９】
【表３】
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【００９０】
表３から、実施例７〜１３のうち、実施例１０を除く実施例はいずれも接合層１８にクラックが発生しなかった。これは、電極材１２の表面１２ａに部材１４を接合したことから、熱サイクル時に発生する電極材１２の熱膨張、特に、少なくともパワー半導体２０が実装される面の熱膨張を抑制することができ、接合層１８に加わる熱応力が緩和されたことによるものと考えられる。【００９１】
実施例１０については、１０個の評価サンプル中、１個の評価サンプルにおいて接合層１８にクラックが発生していたが、実用上は問題ないレベルである。実施例１０のみにクラックが発生したのは、実施例７〜１３のうち実施例１０のＺｒＯ2板の熱膨張係数が電極材１２の熱膨張係数（この場合、１６．５ｐｐｍ／Ｋ）に最も近いためと考えられる。【００９２】
なお、本発明に係る放熱回路基板及び電子デバイスは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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