(57)【要約】【課題】熱サイクル寿命を延し、またヒートシンクの放熱特性を良好に保つ。【解決手段】セラミック基板１３の両面には第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２がＡｌ系の第１及び第２ろう材層１１、１２を介してそれぞれ積層接着され、第１又は第２アルミニウム合金板２１、２２にはヒートシンク４５が積層接着される。ヒートシンク４５は、銅合金板１６と、この銅合金板１６の一方の面に形成されたシリカコーティング層４６と、このシリカコーティング層４６に第３ろう材層４３を介して積層接着された第３アルミニウム合金板５４とにより構成され、この第３アルミニウム合金板５４は第４ろう材層４４を介して第１又は第２アルミニウム合金板２１、２２に直接積層接着される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板（１３）と、前記セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）と、前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に積層接着されたヒートシンク（４５）とを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンク（４５）が、銅合金板（１６）と、この銅合金板（１６）の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層（４６）と、前記シリカコーティング層（４６）にＡｌ系の第３ろう材層（４３）を介して積層接着された第３アルミニウム合金板（５４）とにより構成され、前記第３アルミニウム合金板（５４）が前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して積層接着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】
セラミック基板（１３）と、前記セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）と、前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に積層接着されたヒートシンク（６５）とを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンク（６５）が、銅合金板（１６）と、この銅合金板（１６）の全面に形成されたシリカコーティング層（６６）と、前記銅合金板（１６）の全面をシリカコーティング層（６６）を介して覆うアルミニウム合金被覆体（６７）とにより構成され、前記アルミニウム合金被覆体（６７）が前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して積層接着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３】
セラミック基板（１３）と、前記セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）と、前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）に積層接着されたヒートシンク（７５）とを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンク（７５）が、銅合金板（１６）と、この銅合金板（１６）の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層（４６）とにより構成され、前記シリカコーティング層（４６）が前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して積層接着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４】
セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介して第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板（１６）の少なくとも一方の面にシリカコーティング層（４６）を形成する工程と、前記シリカコーティング層（４６）を前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第３ろう材層（４３）、第３アルミニウム合金板（５４）及びＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法。
【請求項５】
セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介して第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板（１６）の全面にシリカコーティング層（６６）を形成した後に前記銅合金板（１６）の全面をアルミニウム合金被覆体（６７）で被覆する工程と、前記アルミニウム合金被覆体（６７）を前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法。
【請求項６】
セラミック基板（１３）の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層（１１、１２）を介して第１及び第２アルミニウム合金板（２１、２２）をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板（１６）の少なくとも一方の面にシリカコーティング層（４６）を形成する工程と、前記シリカコーティング層（４６）を前記第１又は第２アルミニウム合金板（２１、２２）にＡｌ系の第４ろう材層（４４）を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とするヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板等の半導体装置のセラミック回路基板及びその製造方法に関し、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ヒートシンク付セラミック回路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】
従来、この種のセラミック回路基板として、セラミック基板がＡｌＮにより形成され、このセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層接着され、更に銅板により形成されたヒートシンクが上記第１又は第２アルミニウム板にはんだを介して積層接着されたものが知られている。
【０００３】
この回路基板では、第１及び第２アルミニウム板のセラミック基板への積層接着は、第１アルミニウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材、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、この状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中で６００〜６３０℃に加熱することにより行われ、第２アルミニウム板はエッチンクにより所定のパターンの回路となる。この後にヒートシンクが第１アルミニウム板にはんだを介して積層接着され、第２アルミニウム板上に半導体チップ等（図示せず）が搭載される。
【０００４】
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アルミニウム板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、セラミック基板、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、第１アルミニウム板及びはんだを介してヒートシンクの表面から放散されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のセラミック回路基板では、半導体チップ等の発熱及び非発熱により、或いは周囲温度の変化により、回路基板が高温と低温との間で繰返し変化すると、即ち、回路基板に熱サイクルが作用すると、セラミック回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数差による熱応力が発生するため、はんだに歪みがたまって、はんだにクラックが発生するおそれがあった。
【０００７】
また、上記のような従来のセラミック回路基板では、はんだの熱抵抗が高いため、即ち、はんだの熱伝導率が低いため、セラミック回路基板上に搭載した半導体チップの温度が上昇して、半導体チップの動作不良やはんだ寿命の低下を招くおそれもあった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、熱サイクル寿命を延すことができ、ヒートシンクの放熱特性を良好に保つことができる、ヒートシンク付セラミック回路基板を提供することを第１の目的とする。また、銅板とアルミニウム板とを直接積層接着しても、その界面に金属間化合物が生成されるのを防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第２の目的とする。さらに、銅板とアルミニウム板との間にシリカコーティング層を介装することにより、製造時に回路基板を高温雰囲気中に曝しても金属間化合物の生成を防止できる、ヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法を提供することを第３の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。すなわち、請求項１に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅合金板と、この銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、前記シリカコーティング層にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第３アルミニウム合金板とにより構成され、前記第３アルミニウム合金板が前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅合金板を第３アルミニウム合金板にシリカコーティング層及び第３ろう材層を介して積層接着したので、第３ろう材層と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅合金板と、この銅合金板の全面に形成されたシリカコーティング層と、前記銅合金板の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム合金被覆体とにより構成され、前記アルミニウム合金被覆体が前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して積層接着されたことを特徴とする。この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅合金板をシリカコーティング層を介してアルミニウム合金被覆体により覆ったので、アルミニウム合金被覆体と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、セラミック基板と、前記セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板と、前記第１又は第２アルミニウム合金板に積層接着されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付セラミック回路基板において、前記ヒートシンクが、銅合金板と、この銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層とにより構成され、前記シリカコーティング層が前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して積層接着されたことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板によれば、銅合金板を第１又は第２アルミニウム合金板にシリカコーティング層及び第４ろう材層を介して積層接着したので、第４ろう材層と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成する工程と、前記シリカコーティング層を前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第３ろう材層、第３アルミニウム合金板及びＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、第３及び第４ろう材層を用いて各部材を積層接着するときに、セラミック回路基板全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるが、銅合金板と第３ろう材層との間にはシリカコーティング層が介装されているので、即ち、銅合金板と第３ろう材層とは直接接触していないので、銅合金板と第３ろう材層との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板と第３ろう材層とが剥離することはない。
【００１３】
請求項５に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板の全面にシリカコーティング層を形成した後に前記銅合金板の全面をアルミニウム合金被覆体で被覆する工程と、前記アルミニウム合金被覆体を前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、アルミニウム合金被覆体を第１又は第２アルミニウム合金板に第４ろう材層を用いて積層接着するときに、セラミック回路基板全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるが、銅合金板とアルミニウム合金被覆体との間にはシリカコーティング層が介装されているので、即ち、銅合金板とアルミニウム合金被覆体とは直接接触していないので、銅合金板とアルミニウム合金被覆体との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板とアルミニウム合金被覆体とが剥離することはない。
【００１４】
請求項６に係る発明は、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着する工程と、銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成する工程と、前記シリカコーティング層を前記第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着する工程とを含むことを特徴とする。
この発明によるヒートシンク付セラミック回路基板の製造方法によれば、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム合金板に第４ろう材層を用いて積層接着するときに、セラミック回路基板全体が６００〜６３０℃という高温の雰囲気に曝されるが、銅合金板と第４ろう材層との間にはシリカコーティング層が介装されているので、即ち、銅合金板と第４ろう材層とは直接接触していないので、銅合金板と第４ろう材層との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板と第４ろう材層とが剥離することはない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明によりセラミック回路基板の第１の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板４０は、ＡｌＮにより形成されたセラミック基板１３と、このセラミック基板１３の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層１１、１２を介してそれぞれ積層接着された第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、第１アルミニウム合金板２１に積層接着されたヒートシンク４５とを備えている。
【００１６】
図１において、第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により形成される。第１及び第２ろう材層１１、１２は８０〜９８重量％のＡｌと、１５〜２重量％のＳｉと、５〜０重量％のその他の成分との合金により形成される。
【００１７】
また、ヒートシンク４５は、銅合金板１６と、この銅合金板１６の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層４６と、シリカコーティング層４６の表面にＡｌ系の第３ろう材層４３を介して積層接着された第３アルミニウム合金板５４とにより構成される。
【００１８】
さらに、銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。第３アルミニウム合金板５４は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。
【００１９】
さらに、シリカコーティング層４６の厚さは、５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜２０μｍに形成される。シリカコーティング層４６の厚さを５０ｎｍ〜２００μｍの範囲に限定したのは、５０ｎｍ未満ではＣｕとＡｌとの反応の抑制効果が乏しく、２００μｍを超えるとシリカコーティング層４６に割れが発生してＣｕとＡｌの反応を抑制できなくなるからである。
さらに、第３アルミニウム合金板５４は、第１アルミニウム合金板２１の表面にＡｌ系の第４ろう材層４４を介して積層接着される。
【００２０】
なお、第３及び第４ろう材層４３、４４は、９０〜９５重量％のＡｌと、５〜１０重量％のＳｉとの合金により形成される。
【００２１】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板４０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム合金板２１の上に第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、この状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００２２】
次に、銅合金板１６にシリカコーティング液をスピンコートするか、或いは銅合金板１６をシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅合金板１６の一方の面或いは全面にシリカコーティング層４６を形成する。シリカコーティング液は、シリコンアルコキシドを主成分とし、その他にジルコニウムアルコキシドが混合される。シリカコーティング層４６の組成比は、シリカが５５〜１００重量％、好ましくは７０〜９５重量％であり、ジルコニアが４５〜０重量％、好ましくは３０〜５重量％である。
【００２３】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅合金板１６の上に、第３ろう材層４３、第３アルミニウム合金板５４及び第４ろう材層４４を重ね、更に第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。この場合、セラミック回路基板４０全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるが、銅合金板１６と第３ろう材層４３との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅合金板１６と第３ろう材層４３とは直接接触していないので、銅合金板１６と第３ろう材層４３との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板１６と第３ろう材層４３とが剥離することはない。
【００２４】
上記のような構成の製造方法により製造されたヒートシンク付セラミック回路基板４０は、ヒートシンク４５を第１アルミニウム合金板２１に、はんだではなく第４ろう材層４４を介して積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を延すことができる。また、ヒートシンク４５の大部分が熱伝導率の高い銅合金板１６であるので、ヒートシンク４５の放熱特性を向上できる。更に、銅合金板１６を第３アルミニウム合金板５４にシリカコーティング層４６及び第３ろう材層４３を介して積層接着したので、第３ろう材層４３と銅合金板１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板４０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板４０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００２５】
また、シリカコーティング層４６と第１アルミニウム合金板２１又は第２アルミニウム合金板２２との間に第３アルミニウム合金板５４を介装させているので、シリカコーティング層４６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができるものである。
【００２６】
図２には、本発明によるセラミック回路基板の第２の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を、銅合金板１６と、この銅合金板１６の全面に形成されたシリカコーティング層６６と、銅合金板１６の全面をシリカコーティング層６６を介して覆うアルミニウム合金被覆体６７とにより構成したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、第１の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００２７】
図２において、銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。アルミニウム合金被覆体６７は、Ａｌの純度が９９．５％以上、好ましくは９９．９８％以上の高純度のＡｌ合金により０．２〜１．５ｍｍの厚さに形成される。シリカコーティング層６６は、第１の実施の形態のシリカコーティング層と同一材質であり、その厚さも同一に形成される。アルミニウム合金被覆体６７は、第１アルミニウム合金板２１にＡｌ系の第４ろう材層４４を介して積層接着される。
【００２８】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板６０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム合金板２１の上に第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、この状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００２９】
次に、銅合金板１６を第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅合金板１６の全面にシリカコーティング層６６を形成する。
【００３０】
次に、所定の型に、シリカコーティング層６６が形成された銅合金板１６を収容し、この状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却することにより、ヒートシンク６５を作製する。
【００３１】
次に、ヒートシンク６５の上に第４ろう材層４４を重ね、この第４ろう材層４４の上に第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ね、この状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。この場合、セラミック回路基板６０は、全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されるが、銅合金板１６とアルミニウム合金被覆体６７との間にはシリカコーティング層６６が介装されているので、即ち、銅合金板１６とアルミニウム合金被覆体６７とは直接接触していないので、銅合金板１６とアルミニウム合金被覆体６７との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板１６とアルミニウム合金被覆体６７とが剥離することはない。
【００３２】
上記のような構成の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板６０は、ヒートシンク６５を第１アルミニウム合金板２１に、はんだではなく第４ろう材層４４を介して積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を延すことができる。また、ヒートシンク６５の大部分が熱伝導率の高い銅合金板１６であるので、ヒートシンク６５の放熱特性を向上できる。更に、銅合金板１６をシリカコーティング層６６を介してアルミニウム合金被覆体６７により覆ったので、アルミニウム合金被覆体６７と銅合金板１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板６０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板６０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。
【００３３】
また、シリカコーティング層６６と第１アルミニウム合金板２１又は第２アルミニウム合金板２２との間にアルミニウム合金被覆体６７を介装させているので、シリカコーティング層４６の熱伝導率が低くても、トータルの熱抵抗を下げることができるものである。
【００３４】
図３には、本発明によるセラミック回路基板の第３の実施の形態が示されていて、このセラミック回路基板７０は、ヒートシンク７５を、銅合金板１６と、この銅合金板１６の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層４６とにより構成したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、第１の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００３５】
図３において、銅合金板１６は、Ｃｕの純度が９５％以上、好ましくは９９．５％以上の高純度のＣｕ合金により１．５〜３．０ｍｍの厚さに形成される。シリカコーティング層４６の厚さは、５０ｎｍ〜２００μｍ、好ましくは０．５μｍ〜２０μｍに形成される。シリカコーティング層４６は、第１アルミニウム合金板２１にＡｌ系の第４ろう材層４４を介して積層接着される。
【００３６】
次に、上記のように構成したこの実施の形態によるヒートシンク付セラミック回路基板７０の製造方法について説明する。
先ず、第１アルミニウム合金板２１の上に第１ろう材層１１、セラミック基板１３、第２ろう材層１２及び第２アルミニウム合金板２２を重ね、この状態で、これらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱する。積層接着後、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成する。
【００３７】
次に、銅合金板１６に第１の実施の形態と同一のシリカコーティング液をスピンコートするか、或いは銅合金板１６をシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅合金板１６の一方の面或いは全面にシリカコーティング層４６を形成する。
【００３８】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅合金板１６の上に第４ろう材層４４を重ね、更に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ねる。この状態でこれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又は非酸化性雰囲気中で６００〜６３０℃に加熱して積層接着する。この場合、セラミック回路基板７０は、全体が６００〜６３０℃という高温の雰囲気に曝されるが、銅合金板１６と第４ろう材層４４との間にはシリカコーティング層４６が介装されているので、即ち、銅合金板１６と第４ろう材層４４とは直接接触していないので、銅合金板１６と第４ろう材層４４との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板１６と第４ろう材層４４とが剥離することはない。
【００３９】
上記のような構成のセラミック回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付セラミック回路基板７０は、ヒートシンク７５を第１アルミニウム合金板に、はんだではなく第４ろう材層４４を介して積層接着しているので、はんだにクラックが発生することはあり得ず、セラミック回路基板７０の熱サイクル寿命を延すことができる。また、ヒートシンク７５の大部分が熱伝導率の高い銅合金板１６であるので、ヒートシンク７５の放熱特性を向上できる。さらに、銅合金板１６を第１アルミニウム合金板２１にシリカコーティング層４６及び第４ろう材層４４を介して積層接着したので、第４ろう材層４４と銅合金板１６との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板７０に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板７０の熱サイクル寿命を更に延すことができる。更に第３アルミニウム合金板及び第３ろう材層を用いていないため、第１アルミニウム合金板２１からの熱が熱伝導率の高い銅合金板１６に速やかに伝わる。この結果、この実施の形態のヒートシンク７５は、第１の実施の形態のヒートシンクより放熱特性が向上するとともに、部品点数及び製造工数を低減することができる。
【００４０】
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、セラミック基板をＡｌＮにより形成したが、セラミック基板をＳｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３により形成してもよい。
【００４１】
また、上記第１〜第３の実施の形態では、第２アルミニウム合金板をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第１アルミニウム合金板にヒートシンクを直接又はＡｌ系ろう材を介して積層接着したが、第１アルミニウム合金板をエッチング法により所定のパターンの回路に形成し、第２アルミニウム合金板にヒートシンクを直接又はＡｌ系ろう材を介して積層接着してもよい。
【００４２】
更に、上記第１〜第３の実施の形態では、第１〜第４ろう材層をＡｌ−Ｓｉ系ろう材により形成したが、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材、Ａｌ−Ｍｇ系ろう材などにより形成してもよい。この場合、Ａｌ−Ｍｎ系ろう材は９５〜９９．５重量％のＡｌと、２〜０．５重量％のＭｎと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材は９０〜９９重量％のＡｌと、７〜１重量％のＣｕと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材は７２〜９５重量％のＡｌと、２５〜５重量％のＧｅと、３〜０重量％のその他の成分との合金であり、更にＡｌ−Ｍｇ系ろう材は９０〜９７重量％のＡｌと、７〜３重量％のＭｇと、３〜０重量％のその他の成分との合金であることが好ましい。
【００４３】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、予め、純度が９９．９８％であって、縦×横×厚さが３０×３０×０．４ｍｍである第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２と、ＡｌＮにより縦×横×厚さが３０×３０×０．６３５ｍｍに形成されたセラミック基板１３と、Ａｌ：Ｓｉが９３重量％：７重量％であるＡｌ−Ｓｉ系の第１及び第２ろう材層１１、１２とを用意した。
【００４４】
次に、セラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２を積層接着し、この後に、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。
【００４５】
次に、銅合金板１６にシリカコーティング液をスピンコートして乾燥することにより、銅合金板１６の一方の面にシリカコーティング層４６を形成した。このシリカコーティング層４６の組成比は、シリカが８０重量％であってジルコニアが２０重量％であった。
【００４６】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅合金板１６の上に、第３ろう材層４３（Ａｌ：Ｓｉ＝９３重量％：７重量％）、第３アルミニウム合金板５４及び第４ろう材層４４（Ａｌ：Ｓｉ＝９３重量％：７重量％）を重ね、更に、第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ねた。この状態でこれらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。このセラミック回路基板４０を実施例１とした。
【００４７】
＜実施例２＞
図２に示すように、先ず、実施例１と同様に、セラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２を積層接着し、この後に、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。
【００４８】
次に、銅合金板１６を実施例１と同一のシリカコーティング液にディッピングして乾燥することにより、銅合金板１６の全面にシリカコーティング層６６を形成した。
【００４９】
次に、この銅合金板１６を型に収容した状態で型にＡｌの溶湯を流し込んで冷却し、ヒートシンク６５を作製した。
【００５０】
次に、ヒートシンク６５の上に第４ろう材層４４を重ね、この第４ろう材層４４の上に第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ねた。この状態でこれらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。このセラミック回路基板６０を実施例２とした。
【００５１】
＜実施例３＞
図３に示すように、先ず、実施例１と同様にしてセラミック基板１３の両面に第１及び第２アルミニウム合金板２１、２２を積層接着した後に、第２アルミニウム合金板２２をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。
【００５２】
次に、銅合金板１６に実施例１と同一のシリカコーティング液をスピンコートして乾燥することにより、銅合金板１６の一方の面にシリカコーティング層４６を形成した。
【００５３】
次に、シリカコーティング層４６を上側にした銅合金板１６の上に第４ろう材層４４を重ね、更に第１アルミニウム合金板２１を下側にしたセラミック基板１３を重ねた。この状態でこれらに０．２ＭＰａの圧力を加え、真空中で６３０℃に加熱して積層接着した。このセラミック回路基板７０を実施例３とした。
【００５４】
＜実施例４＞
Ａｌ：Ｍｎが９８．５重量％：１．５重量％であるＡｌ−Ｍｎ系の第１及び第２ろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例４とした。
【００５５】
＜実施例５＞
Ａｌ：Ｃｕが９５．５重量％：４．５重量％であるＡｌ−Ｃｕ系の第１及び第２ろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例５とした。
【００５６】
＜実施例６＞
Ａｌ：Ｇｅが８５重量％：１５重量％であるＡｌ−Ｇｅ系の第１及び第２ろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例６とした。
【００５７】
＜実施例７＞
Ａｌ：Ｍｇが９５重量％：５重量％であるＡｌ−Ｍｇ系の第１及び第２ろう材層を用いたことを除いて、実施例１と同様にしてセラミック回路基板を作製した。このセラミック回路基板を実施例７とした。
【００５８】
＜比較例１＞
先ず、実施例１と同様にしてセラミック基板の両面に第１及び第２アルミニウム合金板を積層接着した後に、第２アルミニウム合金板をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した。
【００５９】
次に、第２アルミニウム合金板上にニッケルめっきを施した後に、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップ（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）をダイボンドした。
【００６０】
次に、実施例１と同一の銅合金板からなるヒートシンクの上にろう材層としてＰｂ−Ｓｎ共晶はんだを重ね、このＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの上に、第１アルミニウム合金板を下側にしてセラミック基板を重ねて積層接着した。更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム合金板とをワイヤボンディングした。この半導体チップを搭載したセラミック回路基板を比較例１とした。
【００６１】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜７のセラミック回路基板の第２アルミニウム合金板上にニッケルめっきを施し、このニッケルめっき上にＰｂ−１０Ｓｎはんだを用いて半導体チップ（縦×横：１０ｍｍ×１０ｍｍ）をダイボンドし、更にＡｌワイヤを用いて半導体チップと第２アルミニウム合金板とをワイヤボンディングして、セラミック回路基板上に半導体チップを搭載した。
【００６２】
上記実施例１〜７及び比較例１の半導体チップを搭載したセラミック回路基板について、−４０℃から１２５℃までの昇温及び１２５℃から−４０℃までの降温を１サイクルとする温度サイクル試験を３０００回行った。また温度サイクル試験前の半導体チップとヒートシンク裏面との間の熱抵抗（℃／Ｗ）を測定し、３０００サイクルの温度サイクル試験後の半導体チップとヒートシンク裏面との間の熱抵抗を測定した。なお、３０００サイクルの温度サイクル試験後の熱抵抗は温度サイクル試験前の熱抵抗からの上昇率（％）で示した。また回路基板及びヒートシンク間の界面の信頼性は剥離の有無で評価した。これらの結果を、各ろう材層の材質とともに表１に示す。
【００６３】
【表１】
2004152972.tif 000003
【００６４】
表１から明らかなように、比較例１では、サイクル試験後の熱抵抗が１００％以上も上昇したのに対し、実施例１〜７では、３．０〜４．２％と僅かしか上昇しなかった。また比較例１では１０００サイクルまでに回路基板及びヒートシンク間の界面（はんだ部）で剥離したが、実施例１〜７では３０００サイクルでも回路基板及びヒートシンク間の界面で剥離しなかった。
【００６５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の請求項１に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅合金板と、この銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層と、シリカコーティング層の表面にＡｌ系の第３ろう材層を介して積層接着された第３アルミニウム合金板とにより構成し、第３アルミニウム合金板を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して積層接着するように構成したので、第３ろう材層と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００６６】
また、本発明の請求項２に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅合金板と、この銅合金板の全面に形成されたシリカコーティング層と、銅合金板の全面をシリカコーティング層を介して覆うアルミニウム合金被覆体とにより構成し、アルミニウム合金被覆体を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材を介して積層接着するように構成したので、アルミニウム合金被覆体と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００６７】
さらに、本発明の請求項３に記載のセラミック回路基板によれば、ヒートシンクを、銅合金板と、この銅合金板の少なくとも一方の面に形成されたシリカコーティング層とにより構成し、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材を介して積層接着するように構成したので、第４ろう材層と銅合金板との間に金属間化合物層が形成されることはない。従って、セラミック回路基板に熱サイクルを作用させても、金属間化合物にクラックなどが生じることはあり得ないので、セラミック回路基板の熱サイクル寿命を延すことができる。
【００６８】
さらに、本発明による請求項４に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着し、銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成し、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第３ろう材層、第３アルミニウム板及びＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着するように構成したので、回路基板全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されても、銅合金板と第３ろう材層との間にシリカコーティング層が介装されているので、銅合金板と第３ろう材層との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板と第３ろう材層とが剥離することはない。
【００６９】
さらに、本発明の請求項５に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着し、銅合金板の全面にシリカコーティング層を形成した後に銅合金板の全面をアルミニウム合金被覆体で被覆し、アルミニウム合金被覆体を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着するように構成したので、回路基板全体が６００〜６３０℃という高温雰囲気に曝されても、銅合金板とアルミニウム合金被覆体との間にシリカコーティング層が介装されているので、銅合金板とアルミニウム合金被覆体との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅板とアルミニウム合金被覆体とが剥離することはない。
【００７０】
さらに、本発明の請求項６に記載のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板の両面にＡｌ系の第１及び第２ろう材層を介して第１及び第２アルミニウム合金板をそれぞれ積層接着し、銅合金板の少なくとも一方の面にシリカコーティング層を形成し、シリカコーティング層を第１又は第２アルミニウム合金板にＡｌ系の第４ろう材層を介して６００〜６３０℃の温度で積層接着するように構成したので、回路基板全体が６００〜６３０℃という高温の雰囲気に曝されても、銅合金板と第４ろう材層との間にシリカコーティング層が介装されているので、銅合金板と第４ろう材層との界面が反応して金属間化合物が生成されることはない。従って、銅合金板と第４ろう材層とが剥離することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図２】本発明による第２の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【図３】本発明による第３の実施形態のヒートシンク付セラミック回路基板の概略断面図である。
【符号の説明】
４０、６０、７０  セラミック回路基板
１１  第１ろう材層
１２  第２ろう材層
１３  セラミック基板
１６  銅合金板
２１  第１アルミニウム合金板
２２  第２アルミニウム合金板
４３  第３ろう材層
４４  第４ろう材層
４５、６５、７５  ヒートシンク
４６、６６  シリカコーティング層
５４  第３アルミニウム合金板
６７  アルミニウム合金被覆体
【図１】
2004152972.tif 000004
【図２】
2004152972.tif 000005
【図３】
2004152972.tif 000006