(57)【要約】【課題】  セラミックス部材と放熱板を複層構造にし且つ取付ネジの締め付けに対してネジ止め部が割れないようにした放熱部材等を提供する。【解決手段】  金属等からなる放熱板１ａの少なくとも一つの面にセラミックス部材１ｂを接合すると共に孔又は切欠形態のネジ止め部２を一個以上有し、前記ネジ止め部２のネジ挿通方向の断面が、放熱板１ａがネジ止め部２の中心側に迫り出し相対的にセラミックス部材１ｂがネジ止め部２の外側に後退する段付き形状である放熱部材１を提供する。この放熱部材１はネジ止め部２に通した取付ネジ４が放熱板１ａに引っ掛かってもセラミックス部材１ｂのネジ止め部２には殆ど引っ掛からないため、セラミックス部材１ｂの割れる危険度が激減し、放熱部材１の信頼度が向上する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属等からなる放熱板の少なくとも一つの面にセラミックス部材を接合すると共に孔又は切欠形態のネジ止め部を一個以上有し、
前記ネジ止め部のネジ挿通方向の断面が、放熱板がネジ止め部の中心側に迫り出し相対的にセラミックス部材がネジ止め部の外側に後退する段付き形状であることを特徴とする放熱部材。
【請求項２】
前記セラミックス部材のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅をヒートシンク等の取付部に取り付ける際に使用する取付ネジの頭部径より小さく形成し、もって前記取付部にネジ止めした状態で取付ネジの頭部と放熱板の間にセラミックス部材を介在させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
【請求項３】
前記放熱板の両面にセラミックス部材が接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の放熱部材。
【請求項４】
セラミックス部材のネジ止め部の中心と放熱板のネジ止め部の中心のズレ＝λ、ヒートシンク等の取付部に取り付ける際に使用する取付ネジの頭部径＝Ｘ、前記取付ネジの雄ネジ径＝Ｙ、セラミックス部材のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅＝Ａ、放熱板のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅＝Ｂとして、λ＜｛Ｘ−Ａ−（Ｂ−Ｙ）｝／２であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の放熱部材。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材の少なくとも一つのセラミックス部材表面に金属層が接合されていることを特徴とする回路基板。
【請求項６】
前記金属層でセラミックス部材のネジ止め部周縁を覆い、もって前記取付ネジの頭部とセラミックス部材の間に金属層を介在させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の回路基板。
【請求項７】
請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材又は請求項５又は６に記載の回路基板に半導体素子を設けてなることを特徴とする半導体部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などの発熱性電子部品を搭載する放熱部材並びに回路基板及びそれらに半導体素子を組み付けた半導体部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車、家庭用機器のインバーター制御に用いられるＩＧＢＴ等に組み込まれるパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の発熱性電子部品は、通電により発熱する。この熱は半導体素子等の正常な動作を妨げたり、回路基板に亀裂を生じさせる等のトラブル要因になるため、通常、これら発熱性電子部品は放熱部材と組み合わせることにより構成されている。前記放熱部材は金属等の単層構造のものの他、例えば特許文献１に記載されているように金属等を放熱板とし該放熱板の一つの面にセラミックス部材を接合するようにした複層構造のものがある。
【特許文献１】特開平９−９７８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記発熱性電子部品は、ヒートシンクなどの取付部に取付ネジで締め付けられるが、セラミックス部材のネジ止め部が割れるおそれがあった。通常、このような現象に対してはセラミックス部材の強度不足と判断しセラミックス部材の材質や厚みを調整して強度を高める改善策を講じるが、複層構造の放熱部材におけるネジ止め部の割れ現象には、セラミックス部材の材質や厚みを調整する強度アップ対策のみでは改善できない隠れた原因が存在していた。
【０００４】
すなわち、放熱部材には取付ネジを通すための例えば貫通孔状のネジ止め部が穿設されており、該ネジ止め部に取付ネジを通すが、その際セラミックス部材のネジ止め部にネジ山が当たるとその衝撃で傷やひび割れが発生し、それがセラミックス部材のネジ止め部の強度を著しく低下させる。にも拘わらず規定のトルクでそのまま取付ネジを締め付けるため、ネジ止め部が割れるのである。
【０００５】
本発明は斯かる原因の解明を契機としてなされたものであって、その目的は、セラミックス部材と放熱板を複層構造にし且つ取付ネジの締め付けに対してネジ止め部が割れないようにした放熱部材等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載したように、金属等からなる放熱板の少なくとも一つの面にセラミックス部材を接合すると共に孔又は切欠形態のネジ止め部を一個以上有し、前記ネジ止め部のネジ挿通方向の断面が、放熱板がネジ止め部の中心側に迫り出し相対的にセラミックス部材がネジ止め部の外側に後退する段付き形状である放熱部材を提供する。
【０００７】
また、請求項２に記載したように、前記セラミックス部材のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅をヒートシンク等の取付部に取り付ける際に使用する取付ネジの頭部径より小さく形成し、もって前記取付部にネジ止めした状態で取付ネジの頭部と放熱板の間にセラミックス部材を介在させるようにした請求項１記載の放熱部材を提供する。
また、請求項３に記載したように、前記放熱板の両面にセラミックス部材が接合されている請求項１又は２記載の放熱部材を提供する。
【０００８】
また、請求項４に記載したように、セラミックス部材のネジ止め部の中心と放熱板のネジ止め部の中心のズレ＝λ、ヒートシンク等の取付部に取り付ける際に使用する取付ネジの頭部径＝Ｘ、前記取付ネジの雄ネジ径＝Ｙ、セラミックス部材のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅＝Ａ、放熱板のネジ止め部の孔径又は切欠最小幅＝Ｂとして、λ＜｛Ｘ−Ａ−（Ｂ−Ｙ）｝／２である請求項１乃至３の何れか一つに記載の放熱部材を提供する。
また、請求項５に記載したように、請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材の少なくとも一つのセラミックス部材表面に金属層が接合されている回路基板を提供する。
【０００９】
また、請求項６に記載したように、前記金属層でセラミックス部材のネジ止め部周縁を覆い、もって前記取付ネジの頭部とセラミックス部材の間に金属層を介在させるようにした請求項５記載の回路基板を提供する。
また、請求項７に記載したように、前記請求項１乃至４の何れか一つに記載の放熱部材又は請求項５又は６に記載の回路基板に半導体素子を設けてなる半導体部品を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の放熱部材は、ネジ止め部の形態を、金属等の放熱板がネジ止め部の中心側に迫り出し相対的にセラミックス部材がネジ止め部の外側に後退する段付き形状にしたため、ネジ止め部に通した取付ネジが放熱板のネジ止め部に引っ掛かる事があっても、セラミックス部材のネジ止め部には全く引っ掛からないか或いはごく僅かしか引っ掛からない。元々放熱板の金属等はセラミックス部材のように脆くないため、取付ネジの雄ネジが引っ掛かっても僅かに塑性変形する程度で殆どダメージを受けることがなく、従って放熱部材のセラミックス部材のネジ止め部が割れる危険度が激減し、放熱部材の信頼度が向上する。
【００１１】
また、請求項２に記載の放熱部材は、ネジ止め状態で取付ネジの頭部と放熱板の間にセラミックス部材を介在させるようにしたため、セラミックス部材と放熱板を接合する際の熱処理で放熱板が焼鈍され軟化していても取付ネジの締め付けが不都合なく行える効果がある。
【００１２】
また、請求項３の放熱部材は、放熱板の両面にセラミックス部材を接合したため、異材同士の熱膨張率の相違に基づく面方向の変形が表裏で打ち消し合って反りが生じないから、ネジ止め部に過大な締付トルクを加える必要がなく、従ってネジ止め部の損傷防止に効果を発揮する。
【００１３】
また、セラミックス部材のネジ止め部の中心と放熱板のネジ止め部の中心のズレλを請求項４のように規定すれば、本発明の実施が容易であり、また、取付ネジの頭部に満遍なくセラミックス部材が接して均一に圧力が伝わるため、該セラミックス部材の割れが抑制される。さらにまたこの条件で出荷前の検品等を行えば不良品の発見が正確且つ迅速に行える。
【００１４】
なお、以上の諸効果は請求項５，６の回路基板、請求項７の半導体部品にももちろん当て嵌まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図１は放熱部材の分解斜視図、図２は放熱部材の要部拡大断面図、図３は使用状態を示す要部の断面図、図４は半導体部品の分解斜視図、図５は放熱部材を取付部に取り付ける状態を説明する分解斜視図、図６は他の形態の放熱部材の分解斜視図、図７は使用状態を示す要部の断面図、図８は他の形態を示す要部拡大斜視図、図９は他の形態の使用状態を示す正面図である。
【００１６】
放熱部材１は、図１の分解斜視図に示したように四角い放熱板１ａの一つの面に四角いセラミックス部材１ｂを一体に接合してなり、四つの各コーナー部分に貫通孔状のネジ止め部２を有する。
【００１７】
前記放熱板１ａは放熱性を備えていればどのようなものでもよいが、好ましくはＡｌ又はＡｌにＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたＡｌ合金、或いはＣｕ又はＣｕにＦｅ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から一種又は二種以上を加えたＣｕ合金、Ａｌ−ＳｉＣ等のような金属とセラミックスの複合材がよい。これらの材料は放熱性に優れしかも低コストだからである。
また、セラミックス部材１ｂは、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化珪素等で形成され、例えばろう付け法、ダイレクト・ボンデッド・カッパー法等により前記放熱板１ａに接合される。
【００１８】
放熱部材１の前記ネジ止め部２は、図２に示したようにネジ挿通方向の断面を、放熱板１ａがネジ止め部２の中心側に迫り出し相対的にセラミックス部材１ｂがネジ止め部２の外側に後退する段付き形状になっている。このような形状のネジ止め部２は、放熱板１ａとセラミックス部材１ｂを接合してからネジ止め部２を形成する方法と、予めセラミックス部材１ｂにネジ止め部２を形成し両者を接合してから放熱板１ａにネジ止め部２を形成する方法と、予め放熱板１ａとセラミックス部材１ｂの夫々にネジ止め部２を形成してから両者を接合する方法があり、その何れの方法を採用してもよい。なお、各方法の特徴は以下のとおりである。
【００１９】
先ず、放熱板１ａとセラミックス部材１ｂを接合してからネジ止め部２を形成する方法は最も高い寸法精度が得られる点で優れている。
次に、予めセラミックス部材１ｂにネジ止め部２を形成し両者を接合してから放熱板１ａにネジ止め部２を形成する方法は、セラミックス部材１ｂを成型する工程で、複数のセラミックス部材１ｂに同時に孔明けできるため生産性が高く、また、セラミックス部材１ｂのネジ止め部２を基準として放熱板１ａに穿孔するため寸法精度も良い。さらにまた前記第一の製造方法では焼成したセラミックス部材１ｂに穿孔するため、加工にかなりの負荷を伴い且つ工具の劣化がセラミックス部材１ｂと放熱板１ａの接合部に悪影響を及ぼすおそれがあるが、本製法では焼成前に、軟らかい状態であるセラミックス部材１ｂに予めネジ止め部２を形成するためそのような問題は生じない。
次に、予め放熱板１ａとセラミックス部材１ｂの夫々にネジ止め部２を形成してから両者を接合する方法は、放熱板１ａを原材から打ち抜く工程やセラミックス部材１ｂを成型する工程で同時に孔明け出来るため生産性が頗る良い。また、既に説明した第一，第二の製造方法は、何れもセラミックス部材１ｂと放熱板１ａを接合した後に放熱板１ａにネジ止め部２を形成するため、接合時の熱処理で放熱板１ａが焼鈍され軟化していて穿孔時にバリが生じやすいが、本製法では予め放熱板１ａにネジ止め部２を形成するためそのような問題は生じない。なお、本製法が取り組むべき課題は、セラミックス部材１ｂと放熱板１ａの熱膨張率の相違を越えてセラミックス部材１ｂのネジ止め部２と放熱板１ａのネジ止め部２とを如何に一致させるかにあるが、そのような課題は次のようにして解消できる。
【００２０】
セラミックス部材１ｂと放熱板１ａの熱膨張係数は相違するため、接合時温度での寸法を考慮してネジ止め部２の位置を決定する。例えば、放熱板１ａとセラミックス部材１ｂの外寸が室温で同じ場合、接合温度時に熱膨張することによって生じる両部材１ａ，１ｂの寸法差は、｛室温の一辺の寸法×（接合温度−室温）×（放熱板の熱膨張係数−セラミックス部材の熱膨張係数）｝の式で求められる。また、部材の熱膨張は、部材中心を基準に生じる。従って上述式と熱膨張挙動に基づき、接合時温度でセラミックス部材１ｂと放熱板１ａのネジ止め部２，２の位置が一致するようにセラミックス部材１と放熱板１ａの室温での寸法を決定すればよい。
【００２１】
ネジ止め部２は、図３に示したように、放熱部材１をヒートシンク等の取付部３に取付ネジ４で取り付けるために使用するものであり、従って放熱板１ａのネジ止め部２の孔径Ｂは取付ネジ４の雄ネジ径Ｙを上回る必要がある。一方、セラミックス部材１ｂのネジ止め部２の孔径Ａは取付ネジ４の頭部径Ｘより小さくして取付ネジ４の頭部４ａと放熱板１ａの間にセラミックス部材１ｂを介在させるようにするとよい。放熱板１ａの金属はセラミックス部材１ｂを接合するとき焼鈍され軟化しているため、そのような放熱板１ａに取付ネジ４を締め付けても十分な強度が得られないからである。しかしてセラミックス部材１ｂと放熱板１ａのネジ止め部２の中心のズレλが、取付ネジ４との関係で”λ＜｛Ｘ−Ａ−（Ｂ−Ｙ）｝／２”の条件を満たすとき、セラミックス部材１ｂに取付ネジ４の頭部４ａが確実に当接する。
【００２２】
図４は前記放熱部材１のセラミックス部材１ｂの表面に金属層５ａを接合して回路基板５としたものである。前記金属層５ａはセラミックス部材１ｂに対し、例えばろう付け法、ダイレクト・ボンデッド・カッパー法等により接合する。金属層５ａの材料は、好ましくはＡｌ又はＡｌにＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇなどの中から一種又は二種以上の金属を加えたＡｌ合金、或いはＣｕ又はＣｕにＦｅ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から一種又は二種以上を加えたＣｕ合金等がよい。この金属層５ａには例えばエッチングで、金属層５ａの一部を回路とし、別の一部をセラミックス部材１ｂのネジ止め部２周縁を覆うように別々に形成する。そうすることにより取付ネジ４の頭部４ａとセラミックス部材１ｂの間に金属層５ａが介在し、それが緩衝作用を発揮するから取付ネジ４の締め付けによるセラミックス部材１ｂの割れの危険性をさらに減少させることができる。また、ネジ止め部２周縁を覆う部分がエッチング等で回路と同時に形成できるため、ネジ止め部２に別途座金を設ける場合に比べて生産性が向上し且つ座金分の部品コストが節約できる効果もある。
このような金属層５ａの上に半導体素子６ａ，６ａを半田付け等で設置することによりパワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の半導体部品６が出来る。
【００２３】
上記のようにして形成した半導体部品６は、図５に示したようにヒートシンク等の取付部３に対し、放熱部材１の四コーナーに形成したネジ止め部２に取付ネジ４を通して締め付け密着状態で固定する。このときネジ止め部２に通した取付ネジ４がセラミックス部材１ｂに全く引っ掛からないか若しくはごく僅かしか引っ掛からないため、取付ネジ４の引っ掛け等に起因していたセラミックス部材１ｂの割れが発生しない。
【００２４】
以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では放熱板１ａの表面にセラミックス部材１ｂを接合したが、図６に示したように放熱板１ａの他面に第二のセラミックス部材１ｃを接合してもよい。この場合のセラミックス部材１ｃの材質、寸法、接合方法、ネジ止め部２の構成等は全て表面のセラミックス部材１ｂと同じである。この放熱部材１は、放熱板１ａの両面にセラミックス部材１ｂ，１ｃを接合したことにより、異材同士の熱膨張率の相違に基づく面方向の変形が表裏で打ち消し合って反りが生じないため、ネジ止め部２に過大な締付トルクを加える必要がない。なお、図７はこの実施形態の要部を拡大して示した断面図である。
【００２５】
また、実施形態ではネジ止め部２を貫通孔として説明したが、例えば図８に示したようにネジ止め部２をＵ字状等の切欠形態にしてもよい。この場合、ネジ止め部２の最小切欠幅が孔の径Ａ，Ｂに相当するから、上記実施形態の孔の径Ａ，Ｂを夫々最小切欠幅Ａ，Ｂと読み替えればよい。
【００２６】
また、実施形態ではネジ止め部２を四コーナーに形成したが、ネジ止め部２は少なくとも一個あればよい。図９はそのような使用例を示したものであり、ネジ止め部２の反対側がクランプ金具７で締め付けられている。
【００２７】
また、実施形態の取付ネジ４の頭部径Ｘと、図示しないが取付ネジ４に座金を介在させた場合の座金径は等価であり、その場合には頭部径Ｘを座金径に置き換えればよい。
【実施例１】
【００２８】
放熱板１ａの両面にセラミックス部材１ｂ，１ｃを接合し、さらに一つのセラミックス部材１ｂの表面に金属層５ａを接合した回路基板５の実施例１〜７を夫々１０個ずつ製造し、それらとネジ止め部２の構成のみ異ならせた比較例１〜５を夫々１０個ずつ製造して本発明の効果を確認した。
なお、放熱板１ａは（６０×６０×ｔ３ｍｍ）の銅板を使用し、また、セラミックス部材１ｂ，１ｃは（６０×６０×ｔ０.３ｍｍ）の窒化珪素を使用し、さらに金属層５ａは（６０×６０×ｔ０.３ｍｍ）の銅板を使用した。放熱板１ａとセラミックス部材１ｂ，１ｃ及びセラミックス部材１ｂと金属層５ａの接合手段はろう付である。
実施例１〜７のセラミックス部材１ｂ，１ｃのネジ止め部２は全て接合前に加工し、また、放熱板１ａのネジ止め部２は実施例４，６のみ接合前に加工し、それ以外は接合後に加工した。なお、実施例４の放熱板１ａのネジ止め部２はφ３ｍｍの下孔を接合前に形成し、接合後にφ５ｍｍに加工した。
比較例１〜５のセラミックス部材１ｂのネジ止め部２は全て接合前に加工し、また、放熱板１ａのネジ止め部２も全て接合前に加工した。
こうして製造した実施例１〜７と比較例１〜５の回路基板５をヒートシンクに見立てた取付部３に取付ネジ４（Ｍ５、頭部径φ９ｍｍ）で締め付け（図１０（ａ），（ｂ）参照。）、その後取り外し、そのような着脱を１０回繰り返してネジ止め部２の欠けやクラックの有無を目視で判定した。なお、本試験は、加速試験及び人為的な不具合対策を加味した試験として通常より１０％大きい締付トルクを採用した。
この試験結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
上記の結果から明らかなように本発明の実施例１〜７にはセラミックス基板１ｂ，１ｃに欠けや割れが発生せず、比較例１〜５に対する顕著な効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】放熱部材の分解斜視図である。
【図２】放熱部材の要部拡大断面図である。
【図３】使用状態を示す要部の断面図である。
【図４】半導体部品の分解斜視図である。
【図５】放熱部材を取付部に取り付ける状態を説明する分解斜視図である。
【図６】他の形態の放熱部材の分解斜視図である。
【図７】使用状態を示す要部の断面図である。
【図８】他の形態を示す要部拡大斜視図である。
【図９】他の形態の使用状態を示す正面図である。
【図１０】（ａ）は実施例１〜７の要部を示す拡大断面図、（ｂ）は比較例１〜５の要部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  …放熱部材
１ａ…放熱板
１ｂ，１ｃ…セラミックス部材
２  …ネジ止め部
３  …取付部
４  …取付ネジ
４ａ…頭部
５  …回路基板
５ａ…金属層
６  …半導体部品
６ａ…半導体素子
λ  …セラミックス部材のネジ止め部の中心と放熱板のネジ止め部の中心のズレ
Ａ  …セラミックス部材のネジ止め部の孔径（又は切欠最小幅）
Ｂ  …放熱板のネジ止め部の孔径（又は切欠最小幅）
Ｘ  …取付ネジの頭部径
Ｙ  …取付ネジの雄ネジ径
【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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