(57)【要約】【課題】半導体素子を放熱部材又は回路基板に搭載してなる半導体装置を、ヒートシンクに取りつけた際、放熱部材の反りに起因する放熱特性上の問題点を解消する。放熱部材等を頭部付きネジ部材による締付けによってヒートシンクに取付ける場合に、セラミック板にクラックを発生させない。【解決手段】金属製の放熱板２の両面に、窒化珪素質のセラミック板３、４を接合した放熱部材１で、放熱部材自身の厚み方向に貫通するヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の貫通孔５を設けた。一方のセラミック板３における貫通孔の内面５ａと、同セラミック板の外周をなす側面３ａとのなす最小の寸法をＬａとし、貫通孔５の内径をＤａとし、さらに、一方のセラミック板３の板厚をｔとしたとき、Ｌａを、Ｄａ／４以上で１／（３ｔ）以上に設定した。【選択図】      図１
2005056933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の放熱板の一方の面にセラミック板が接合されてなる放熱部材であって、そのセラミック板の表面に回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられるものにおいて、
前記放熱板の他方の面にセラミック板を接合するとともに、その両セラミック板を窒化珪素を主成分とするセラミックで形成し、
該放熱部材自身の厚み方向に両セラミック板及び放熱板を貫通するヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の貫通孔を設け、
前記一方のセラミック板における該貫通孔の内面と、該一方のセラミック板の外周をなす側面とのなす最小の寸法をＬａとし、該貫通孔の内径をＤａとし、さらに、該一方のセラミック板の板厚をｔとしたとき、
Ｌａを、Ｄａ／４以上で１／（３ｔ）以上に設定したことを特徴とする放熱部材。
【請求項２】
金属製の放熱板の一方の面にセラミック板が接合されてなる放熱部材であって、そのセラミック板の表面に回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられるものにおいて、
前記放熱板の他方の面にセラミック板を接合するとともに、その両セラミック板を窒化珪素を主成分とするセラミックで形成し、
該放熱部材自身の厚み方向に両セラミック板及び放熱板を貫通するとともに該放熱部材の側面に開口するように切込み状に形成された、ヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の切欠き状凹部を設け、
前記一方のセラミック板における該切欠き状凹部の内面と、該一方のセラミック板の外周をなす側面との間で半島状をなす部位の最小の幅の寸法をＬｂとし、該一方のセラミック板の板厚をｔとしたとき、
Ｌｂを、２／（３ｔ）以上に設定したことを特徴とする放熱部材。
【請求項３】
前記一方のセラミック板の表面のうち、前記貫通孔の周縁に沿いかつ前記頭部付きネジ部材の頭部の下面に対応する領域を含む一定領域に対し、金属層を形成してなることを特徴とする請求項１項に記載の放熱部材。
【請求項４】
前記一方のセラミック板の表面のうち、前記切欠き状凹部の周縁に沿いかつ前記頭部付きネジ部材の頭部の下面に対応する領域を含む一定領域に対し、金属層を形成してなることを特徴とする請求項２項に記載の放熱部材。
【請求項５】
前記金属層が、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項３又は４に記載の放熱部材。
【請求項６】
前記一方のセラミック板の板厚ｔが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱部材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱部材における前記一方のセラミック板の表面に回路層を設けてなることを特徴とする回路基板。
【請求項８】
請求項７に記載の回路基板における前記回路層の上面に半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱部材、回路基板および半導体装置に関する。詳しくは、発熱性の電子部品が搭載される放熱部材、又は上面に回路層が形成されて放熱部材付きの回路基板をなす放熱部材、及びこのような放熱部材を用いた回路基板、さらにはこのような回路基板に半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
リードフレームを用いたディスクリート半導体（ＴＯ−３Ｐ、ＴＯ−２２０等）に代表される、比較的小型の半導体部品においては、放熱性を向上させるために、Ｃｕまたは、Ｃｕ合金を主成分とした厚み１ｍｍ程度の放熱板がエポキシモールドにより一体化成型されている。この放熱板の一方の面には、半導体チップ部品がはんだ付けにより実装されている。このため、放熱板は電位を持つが、放熱性を向上させるため、非絶縁の状態でヒートシンクに取り付けられるのが一般的である。
【０００３】
このような半導体部品において、感電に対する安全性等を考慮し、絶縁を望む用途向けには、例えば、これら表面に露出している通電個所の全体、及びヒートシンクヘの取り付け穴も含め、エポキシやポリイミド系の絶縁材料を皮膜形成する処理がなされる。
【０００４】
一方、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴに代表される、比較的大型のパワー半導体モジュール（以下、単にモジュールともいう）においては、高電圧に対する絶縁機能と、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱する放熱性とが要求される。このため、このようなモジュールをなす回路基板には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、及び、窒化珪素に代表されるセラミック（セラミックス）基板の両面に金属が接合されたセラミック回路基板が用いられ、安価なＣｕ又はＣｕ−Ｆｅ合金製の放熱板上にはんだ付けによって実装する形態が一般的である。しかし、近年、前述のパワー半導体モジュールが、産業用機械から、電鉄やハイブリッドカー、および燃料電池車等に適用が拡大されるにあたって、より高い放熱性とヒートサイクルにおける信頼性の向上が強く求められている。
【０００５】
ところが、このようなパワー半導体モジュールにおいては、金属層、セラミック層、はんだ層、及び、放熱板といった、それぞれ、熱膨張率の異なる材質からなる部材で形成されている。このため、半導体等の電子部品の発熱時に、その発熱に起因する熱応力が各部に発生し、接合層、セラミック板、及び、はんだ層等にクラックが発生する場合があった。これらのクラックは、絶縁不良による地絡事故の発生や、熱抵抗の増大を招き、これらに起因して放熱特性が大幅に悪化し、半導体素子の熱破壊を引き起こす原因となることがあった。
【０００６】
このような熱応力に起因する問題点を改善する手段として、軟質金属であるＡｌを金属板として用い、セラミックと金属板との接合部に生じる応力緩和を促す技術が提案されている（特許文献１）。  また、放熱板に熱膨張率の小さい、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材を適用する技術も提案されている（特許文献２）。
【０００７】
このような構成のモジュールは、従来のものと比較し、熱応力が緩和されることから、ヒートサイクルにおける信頼性が高い。特に放熱板に適用される、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏといった複合材の熱膨張率は、９〜１１ｐｐｍ／Ｋ程度であり、Ｃｕ、または、Ｃｕ−Ｆｅ合金の熱膨張率（熱膨張率＝１６〜１７ｐｐｍ／Ｋ）に比較すると小さいため、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層への応力を低減することができる。
【０００８】
その他の技術として、クラックが発生しやすい、セラミック回路基板と放熱板間のはんだ層自体が信頼性低下の要因である、との考え方から、セラミック回路基板と放熱板を、ハンダ付けに代えて、ろう付けにより接合する技術も提案されている（特許文献３）。
【０００９】
さらには、接合時に凹凸に形成された治具を用いて、本来、反りが発生する方向と反対方向に高い圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合することで反りの発生を防止する技術も提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特許３１７１２３４号公報
【特許文献２】
特許３１８０６７７号公報
【特許文献３】
特開平９−９７８６５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術のうち、エポキシやポリイミド系の絶縁材料で皮膜を形成する絶縁では、ヒートシンクと放熱板間に介在することになるその絶縁材料の熱伝導率が、０．５Ｗ／ｍＫ以下程度と低いため、放熱板の放熱特性が低下し、熱抵抗値が非絶縁タイプに比べると数倍以上に増大する。更には、絶縁層がモジュールの外皮表面で形成されているため、外部応力による、キズやへこみ等による絶縁劣化の可能性もあり、信頼性において十分ではない。
【００１２】
また、上述したように、比較的小型の半導体部品においては、絶縁機能及び放熱性に優れるセラミック層を放熱板上に形成することが望ましいが、放熱板の一方の面にセラミックを接合した場合には、両者の熱膨張の差から、放熱板のうち、ヒートシンクと接する面が凹となす大きな反りを生じてしまい、放熱特性が低下するという問題がある。
【００１３】
一方、軟質金属であるＡｌを金属板として適用してセラミックとその金属板の接合部に生じる応力緩和を促す方法や、放熱板に熱膨張率の小さいＡｌ−ＳｉＣや、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏなど複合材を適用する方式では、それらの製造工程が複雑となる。しかも、回路基板との接合においては、特殊な表面処理が必要となる。このため、Ｃｕ、又は、Ｃｕ−Ｆｅ合金からなる放熱板を用いる場合に比べると、数倍程度の高価格となりコスト的に不利である。さらに、熱膨張率の小さい複合材を放熱板として使用しているため、その熱伝導率は１５０〜２５０Ｗ／ｍＫ程度であり、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｆｅ合金の熱伝導率（３５０〜４００Ｗ／ｍＫ）に比べて劣り、熱拡散効果を低減させ、放熱特性を悪化させるという重大な問題がある。
【００１４】
すなわち、このような複合材を放熱板として使用することで、セラミック回路基板−放熱板間のはんだ層のヒートサイクルの信頼性は向上できるものの、放熱特性は従来の形態のものよりも悪化するという重大な問題がある。
【００１５】
また、Ｃｕ、Ａｌ、又は、Ｃｕ−Ｆｅ合金製の放熱板にセラミック回路基板を接合した場合には、両者の熱膨張率の差から、放熱板の裏面が凹となす大きな反りを生ずる。この反りは、モジュール製作時には半導体チップ搭載時のはんだボイドの発生の要因となり、モジュールをヒートシンクに取り付ける際には、ヒートシンクとの接触が不十分となり、熱抵抗が増大し、放熱特性を大幅に悪化させるという問題がある。
【００１６】
さらに、圧力をかけながら、セラミック回路基板と、放熱板を低温接合する手法では、次のような問題がある。すなわち、反り量は、接合されるセラミック回路基板の材料や、放熱板の材質、厚み、及び面積によっても変化するため、加圧条件が複雑となり、実用的ではない。また、各種回路基板と放熱板間に、応力緩和を目的とした中間層を設ける構造においても、十分な反り抑制効果は得られないし、その中間層が放熱特性を悪化させるという問題がある。
【００１７】
上記したように、セラミック回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいて、熱膨張率の小さい放熱板を適用した場合には、ヒートサイクルの信頼性の向上は図られるものの、放熱特性や製造コストの面で問題がある。また、安価な金属を放熱板に用いて、セラミック回路基板とその放熱板とをはんだ層を介在させず、接合する方式においては、熱膨張差に起因する大きな反りが発生してしまう。
【００１８】
さらに、このような放熱部材又は回路基板（以下、単に基板ともいう）を、他部材である、水冷式ヒートシンク若しくは空冷式のヒートシンク（冷却装置或いは放熱装置）等に取付けたり、固定する場合には次のようなかたちをとる。すなわち、このような基板には、例えばその両端寄り部位に、厚み方向に貫通する貫通孔を形成しておく。この貫通孔は、ヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用のものである。一方、ヒートシンクの取付け面には、その貫通孔に対応する配置及びピッチで対応するネジ孔を設けておく。そして、頭部付きネジ部材（以下、単にネジ部材ともいう）をその貫通孔に通してネジ孔にねじ込み、その頭部で基板面（貫通孔の上端周縁面）を押え付けるようにして固定する。ここで、基板は、通常、その平面形状が四角形であるため、貫通孔は、対向する辺寄り部位であって、その辺の中央近傍に、それぞれ１箇所、合計２箇所設けられるか、その４つのコーナー（四隅）寄り部位に、それぞれ１箇所づつ、合計４箇所設けられる。このような貫通孔は、通常、円形穴であるが、このような円形穴に代えて、基板の側面（辺）に開口するように切込み状に形成された切欠き状凹部とされる場合もある。
【００１９】
このような放熱部材又は回路基板が半導体装置等をなしてヒートシンクに取付けられる場合には、その取付けられた装置自体が搭載される対象（用途）によっても異なるが、信頼性がありかつ安定した使用に耐えられるようにするため、当然、安定した強固な取り付け（固定）が要請される。このため、搭載される対象が静止機器であるとしても、そのヒートシンクへの取付けには、例えば、直径５ｍｍのネジ部材により、３．５〜４Ｎｍ以上の締付けトルクで締め付けることが要求されている。また、搭載される対象が自動車である場合には、通常、直径６ｍｍのネジ部材により、６Ｎｍ以上の締付けトルクで締め付けることが要求されている。
【００２０】
ところが、脆性なセラミック板を含む積層構造（サンドウィッチ構造）の放熱部材や回路基板をヒートシンクへ取付けるに当たって、ネジ部材をそのような締付けトルクで締め付けて取付ける場合には、セラミック板自体にクラック（亀裂、ひび、割れ）等の破損を発生させ、絶縁不良を招く危険性があった。このような破損は、ネジ部材の頭部の下面が基板の上面のセラミック板の一部分に直接、局所的に集中して当たることに起因すると考えられる。すなわち、ネジ部材が貫通孔に通されてねじ込まれる場合には、貫通孔における上端周縁面、すなわち、セラミック板の上面のうち、貫通孔の周縁に沿いかつネジ部材の頭部の下面に対応する領域部分に集中して過大な応力が発生するためと考えられる。これは、セラミック自体の強度にもよるが、貫通孔の形成箇所によってもその発生の頻度は大きく異なる。貫通孔の形成箇所が基板の辺（セラミック板の側面）に近く、貫通孔の内周面とセラミック板の側面との間の距離が小さくなると、その間においてセラミックの幅が狭くなることから、ネジ部材による締付けに抗しきれなくなり、破損し易くなる。
【００２１】
こうした破損は、貫通孔でなく、放熱部材の側面に開口するように切込み状に形成された切欠き状凹部の場合においても同様のことがいえる。例えば、平面視長方形をなす放熱部材（基板）において、その切欠き状凹部が基板の短辺側に開口するように、長辺寄り部位にその長辺に沿って切込まれている場合である。この場合においては、切欠き状凹部の内面と、放熱部材の長辺に沿う側面との間で半島状をなす部位（半島状部位ともいう）ができるため、切欠き状凹部の位置が長辺に近づくほど、その半島状部位ではセラミック板の幅が狭くなる。このため、ネジ部材による締付けにおいては、この半島状部位にネジ部材の頭部の下面が部分的に当たることとなり、セラミック板のその部位に過大な応力が発生するためである。
【００２２】
本発明は、こうした各種の問題点に鑑みてなされたもので、第１の目的は、半導体素子を放熱部材、又はその放熱部材を用いた回路基板に搭載してなる半導体装置を、空冷方式又は水冷方式のヒートシンクに取りつけた際において、放熱部材の反りに起因する放熱特性上の問題点を解消することにある。そして、第２の目的は、頭部付きネジ部材による締付けによってヒートシンクに取付ける場合においても、セラミック板にクラック等の破損を発生させないようにすることをその目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、金属製の放熱板の一方の面にセラミック板が接合されてなる放熱部材であって、そのセラミック板の表面に回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられるものにおいて、
前記放熱板の他方の面にセラミック板を接合するとともに、その両セラミック板を窒化珪素を主成分とするセラミックで形成し、
該放熱部材自身の厚み方向に両セラミック板及び放熱板を貫通するヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の貫通孔を設け、
前記一方のセラミック板における該貫通孔の内面と、該一方のセラミック板の外周をなす側面とのなす最小の寸法をＬａとし、該貫通孔の内径をＤａとし、さらに、該一方のセラミック板の板厚をｔとしたとき、
Ｌａを、Ｄａ／４以上で１／（３ｔ）以上に設定したことを特徴とする放熱部材である。
【００２４】
このような放熱部材においては、放熱板の両面にセラミック板を接合した構成を有しているため、次のような基本的な作用、効果がある。すなわち、両方のセラミック板を、例えば、同様の厚みのものとし、これらを同時にロウ付けなどによって放熱板に接合する。なお、以下、上記手段における一方のセラミック板を上のセラミック板（又は上部セラミック板）ともいい、他方のセラミック板を下のセラミック板（又は下部セラミック板）ともいう。なお、本明細書において、放熱部材に関して上下は、回路層が形成される側の面を上とし、反対側の面を下とする。こうすることで、接合に起因して各部材に発生する内部応力の上下におけるアンバランスが起きないので、問題となる反りのない放熱部材となすことができる。また、上部セラミック板の上面に回路層（回路板）を形成（接合）することで、反りのない回路基板（放熱部材付きの回路基板）が得られるが、このような回路基板においては、反りがないことから、その回路層に半導体素子をハンダ付けする際においても問題なくその接合ができる。さらに、このような半導体素子が搭載されたモジュールにおいても反りがないため、その下部セラミック板の下面を介して、水冷方式又は空冷方式のヒートシンク（冷却部材）の取り付け面に密着状にして取付けることができる。このため、効率良く放熱できることから、発熱する電子部品の放熱特性の向上を図ることができる。
【００２５】
そして、本発明では、セラミック板が、窒化珪素を主成分とするセラミック板（窒化珪素セラミック板ともいう）とされているため、窒化アルミニウム質セラミックに比べると、熱伝導性は劣るものの強度が高い。しかも、本発明では上記したように寸法Ｌａを設定している。このため、次のような問題が解消される。というのは、窒化珪素セラミック板は、熱伝導率が低いことから、熱抵抗を低くして放熱性を高めるためには、その厚さを薄く、０．５ｍｍ以下に設定しないといけない。一方、このように薄くすると、窒化珪素セラミック板自体の抗折強度が低くなるため、上記の寸法Ｌａを適切に設定していないときには、前記貫通孔に頭部付きネジ部材を通して４Ｎｍ程度でねじ込み、その頭部の下面で、その貫通孔の上端周縁面をなす上のセラミック板を直接又は間接的に押え付けるときには、上記したようにそのねじ込みによってその締付け部位である貫通孔の上端周縁面に集中的に力が加わるため、同部位又はその近傍におけるセラミック板にクラックが発生する。しかし、本発明では、上記したように寸法Ｌａを設定しているため、４Ｎｍでネジ部材を応力緩和層がない状態において（直接）締付けても、セラミック板にそのようなクラックが発生するのを有効に防止できるという特有の効果がある。なお、下のセラミック板は、その全面で締付け力を受けるため、こうした問題は殆どない。
【００２６】
なお、上記の貫通孔の平面形状（横断面形状）は、通常は、円形であるが、楕円形、小判形状であってもよい。また、多角形でもよい。因みに、窒化珪素セラミック板は、４５０ＭＰａ以上の抗析強度を有するものを用いるのが好ましい。抗析強度は、ＪＩＳ  Ｒ１６０１の３点曲げ強度試験に基づいて、試験、測定し、破壊に至った時の荷重を断面積で割った値をいう。
【００２７】
請求項２にかかる本発明は、金属製の放熱板の一方の面にセラミック板が接合されてなる放熱部材であって、そのセラミック板の表面に回路層を設けて回路基板を形成するのに用いられるものにおいて、
前記放熱板の他方の面にセラミック板を接合するとともに、その両セラミック板を窒化珪素を主成分とするセラミックで形成し、
該放熱部材自身の厚み方向に両セラミック板及び放熱板を貫通するとともに該放熱部材の側面に開口するように切込み状に形成された、ヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の切欠き状凹部を設け、
前記一方のセラミック板における該切欠き状凹部の内面と、該一方のセラミック板の外周をなす側面との間で半島状をなす部位の最小の幅の寸法をＬｂとし、該一方のセラミック板の板厚をｔとしたとき、
Ｌｂを、２／（３ｔ）以上に設定したことを特徴とする放熱部材である。
【００２８】
このような放熱部材は、請求項１に記載の放熱部材と同様の基本的な作用、効果を有する。一方、このものでは、請求項１に記載の貫通孔に代えて、側面に開口する切欠き状凹部を備えているものとしたのである。そして、一般には、上部セラミック板における半島状部の寸法Ｌｂは幅狭となることから、頭部付きのネジ部材による締付けによって破損し易い。しかし、本発明では、この寸法Ｌｂを、上記のように設定したため、４Ｎｍでネジ部材を締付けても、半島状部における上のセラミック板にクラックが発生するのを有効に防止できる。
【００２９】
なお、切欠き状凹部の平面形状は、通常、平面視、切り込みの奥所が半円形状をなす円孤部であり、外方の開口（基板の側面）に向かって一定幅をなすＵ形とされるが、長方形としてもよい。ただし、長方形とする場合には、平面視における奥所の隅には面取り状又はＲ状の隅肉を付けるとよい。
【００３０】
請求項３にかかる本発明は、前記一方のセラミック板の表面のうち、前記貫通孔の周縁に沿いかつ前記頭部付きネジ部材の頭部の下面に対応する領域を含む一定領域（貫通孔の上端周縁面ともいう）に対し、金属層を形成してなることを特徴とする請求項１項に記載の放熱部材である。
【００３１】
請求項４にかかる本発明は、前記一方のセラミック板の表面のうち、前記切欠き状凹部の周縁に沿いかつ前記頭部付きネジ部材の頭部の下面に対応する領域を含む一定領域（切欠き状凹部の上端周縁面ともいう）に対し、金属層を形成してなることを特徴とする請求項２項に記載の放熱部材である。
【００３２】
請求項３又は請求項４におけるように、前記一定領域に金属層を形成したことで、ネジ部材の締付けによる放熱部材の締め付け時においては、その金属層を介してネジ部材の頭部の下面が上のセラミック板を押え付ける。このように、請求項３又は請求項４においては、金属層が応力緩和作用をなすため、セラミックにクラック等の損傷が発生するのが防止される。すなわち、上のセラミック板の表面をネジ部材の頭部の下面で直接押え付ける場合には、同セラミック板の表面又はネジ部材の同頭部（例えば、ステンレス合金製）の下面に存在するうねりや凹凸或いは傾斜があると、同セラミック板の表面の一部或いは部分に締付け時の力（荷重）が集中する。このため、同セラミック板がこの集中荷重が耐えきれなくなり、破損が生じる危険性があるのに対し、本発明ではそのようなときでも金属層がその締付け過程において適宜に押し潰されるように変形してクッション作用をすることから、上のセラミック板にそのような集中荷重がかかるのが防止される。したがって、セラミック板の破損防止効果が極めて高い。
【００３３】
前記金属層は、回路層を形成する場合には、それと同材質にするのが好ましく請求項５に記載のように、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものとするのが好ましい。特に好ましいのは無酸素銅である。金属層の厚みは、回路層と同じでも良いし、異なるものとしてもよい。クッション作用をしてセラミックに発生する応力を緩和できればよい。金属層は、ネジ部材の頭部の下面が当接する部位に存在するように形成すればよいが、なるべく広めに設けるのが好ましい。貫通孔が円形であれば、その内径と同様の内径で円環状に形成すればよい。また、回路層（回路パターン）の形成は、セラミック板の上面に活性ロウ材ペーストを塗布し、銅板を重ねてロウ付けし、エッチング処理、及びブラスト処理等することで形成することができるが、上記金属層はこの回路層の形成時に同時に形成すると製造工程を簡略化できるためによい。なお、金属層を薄く形成したい場合には、ハーフエッチングすればよい。
【００３４】
前記いずれの手段においても、請求項６に記載のように、一方のセラミック板（上のセラミック板）の板厚ｔが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にあるとよい。０．１ｍｍより薄いと、セラミック板自体の強度が低くなるし、０．５ｍｍを超えるようだと、放熱性が低下するためである。
【００３５】
請求項７に係る本発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の放熱部材における前記一方のセラミック板の表面に回路層を設けてなることを特徴とする回路基板である。また、請求項８に係る本発明は、請求項７に記載の回路基板における前記回路層の上面に半導体素子を搭載してなることを特徴とする半導体装置である。
【００３６】
なお、本発明にかかる放熱部材又は回路基板において、貫通孔や切欠き状凹部は、放熱部材（又は回路基板）の両側（両端）又は四つの角寄り部位に設けられるのが普通である。そして、放熱部材のヒートシンクへの取り付けは、上記したように、このような貫通孔や切欠き状凹部に、頭部付きネジ部材を通してネジ締めすることによるのが普通である。したがって、下のセラミック板の下面に許容される微小な反り（１０μｍ／ｃｍ以下の反り量とされる）を付与する場合には、そのネジ締めによる同下面のヒートシンクにおける取付け面への密着が図られるように、同下面には下向きに凸となす反りが付与されるようにするのが好ましい。なお、放熱性向上の手段として、或いは、ヒートシンクとの密着性の向上のため、下部セラミック板のヒートシンクと対面する面（下面）にも金属層を形成してもよい。さらに、放熱板は、セラミック板との接合性の向上、及び防錆等のため、メッキ処理や、メタライズ処理を施したものを用いるとよい。なお、放熱板の材質は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、又はＭｏ、或いはこれらのいずれかを主成分とする合金が例示される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係る放熱部材の実施の形態例１について、図１〜５に基づいて詳細に説明する。図中、１は、本発明にかかる放熱部材であり、全体としてみると、一定厚さの矩形平板形状を呈している。そして、金属製（例えば、Ｃｕ（銅）製）で、矩形をなす放熱板２の上、下の両面２ｃ、２ｂに、一定厚さのセラミック板（例えば、窒化珪素板）３、４が例えば活性ロウ（図示せず）によるロウ付けで接合されて一体化されている。ただし、放熱板２及び上、下のセラミック板３、４は、本例では、平面視、縦横寸法が同じものであり、各側面２ａ、３ａ、４ａを一致させて接合されている。ここに、放熱板２はその厚さＴ２が例えば  ３．０ｍｍとされ、両セラミック板３、４は厚さｔ、ｔ４が、ともに例えば、０．２ｍｍとされている。活性ロウとしては、例えばＣｕ−Ｓｎ系活性金属ロウが使用される。なお、本形態では、各側面２ａ、３ａ、４ａを一致させているが、放熱板２の側面２ａが、両セラミック板３、４の側面３ａ、４ａより相対的に外方に突出していてもよい。また、両セラミック板３、４の側面３ａ、４ａが、放熱板２の側面２ａより相対的に外方に突出していてもよい。
【００３８】
このような放熱部材１は、図１に示したように、平面視、対向する短辺（放熱部材の側面）Ｓ、Ｓの中点を結ぶ直線Ｃ上で、各短辺Ｓ寄り部位に、厚み方向に貫通する直径Ｄａがφ５．５ｍｍで円形の貫通孔５がその中心を前記直線Ｃ上にして設けられている。本形態では貫通孔５は左右対称位置に設けられている。なお、放熱板２及び両セラミック板３、４は、平面が例えば、縦横（短辺Ｓ、長辺Ｌ）それぞれ３２ｍｍ、９０ｍｍとされている。また、本形態では、貫通孔５の内面（内周面）５ａと、放熱部材１の側面Ｓとのなす最小の寸法Ｌａは、１．７５ｍｍとされている。これにより、寸法Ｌａは、１／（３ｔ）をなす（ここでｔ＝０．２ｍｍ）、１．６７ｍｍより大きく設定されている。また、Ｌａは、Ｄａ／４をなす（ここでＤａ＝５．５ｍｍ）、１．３８ｍｍよりも大きく設定されている。なお、貫通孔５の中心は、短辺Ｓから対面する短辺Ｓの方向へ４．５ｍｍに位置している。
【００３９】
このような本形態の放熱部材１は、セラミック板３、４のうち、放熱板２に接する面３ｂ、４ｃにＣｕ−Ｓｎ系活性金属ペースト（活性ロウ）を印刷しておいて、各部材を重ね、所定の錘を載せて例えば真空雰囲気下にて所定の温度に加熱して活性ロウを溶融し、その後、冷却することで形成される。ただし、貫通孔５は、この接合前において、各部材の所定の位置に事前にあけておくか、或いは、上下のセラミック板３、４にのみ事前、すなわち、その焼成前のセラミックグリーンシートの段階であけておき、接合後において放熱板２に例えばドリルで穿孔するようにしてもよい。
【００４０】
しかして、このような放熱部材１は、放熱板２とセラミック板３、４とにおけるヤング率及び熱膨張係数の相違に基づき、接合、冷却後においては、各部材に内部応力が発生するが、このような三層の積層構造を有するため、上下においてその応力にアンバランスを発生させない。したがって、問題となる反りのない放熱部材１となすことができる。
【００４１】
そして、このような放熱部材１は、その上部セラミック板３の上面３ｃに、回路層６を設けることで、図３に示したように回路基板１０となる。なお、回路層６を形成する場合には、例えば、上部セラミック板３の上面３ｃにも活性ロウをスクリーン印刷しておき、その上に回路層形成用のＣｕ板を重ねて、上下のセラミック板３、４と同時に接合し、その後、所望とする回路パターンにエッチング処理することで形成してもよい。また、このような放熱部材１は、図４に示したように、同上部セラミック板３の上面３ｃに、回路層６を設けるとともに該回路層６の上面に半導体素子７をハンダ層８を介して搭載することで半導体装置１１が形成される。そして、この形成においては次のようである。すなわち、このような放熱部材１の上部セラミック板３の上面３ｃに回路層６を形成する。そして、その回路層６に半導体素子７をハンダ付けする際においては、放熱部材１に問題となる反りがないことから、半導体素子７を問題なくハンダ付けできる。
【００４２】
そして、このように形成されたモジュールは、図５に示したように、下のセラミック板４の下面４ｂをヒートシンク（冷却部材）１２に、例えば、熱伝導性のグリース１３を介在させ、頭部付きネジ部材１４を貫通孔５に通してねじ込むことで取付けられる。そして、この取付けにおいても、問題となる反りがないため、モジュールとヒートシンク１２との密着性が保たれる。したがって、その使用に際して半導体から発熱する熱は、回路層６及び放熱部材１を介してヒートシンク１２に効率良く伝達されるため、高い冷却効果が得られる。
【００４３】
しかも、この取付けにおいては、所定のトルク（例えば４Ｎｍ）によってそのネジ部材１４をねじ込むことで、その頭部１５の下面１５ａで、放熱部材１の上のセラミック板３の上面３ｃを押え付けることとなるため、貫通孔５の上端周縁面をなす上のセラミック板３には局所的に集中的に力が加わる。このため、基本的に、ネジ部材１４のねじ込みによってその締付け部位におけるセラミック板３にクラックが発生しやすい。ところが、本発明では、上のセラミック板３における貫通孔５の内周面５ａと短辺Ｓとの間の部位（幅狭部）の寸法Ｌａを適切に設定しているため、そのようなセラミックの破損が有効に防止できる。
【００４４】
ここで、上記の実施の形態において、貫通孔５の中心位置を直線Ｃ上で変え、Ｌａを１〜３ｍｍにおいて変化させた実施例を作った。そして、このような各実施例を用い、その貫通孔５に、外径が５ｍｍのネジ部材（頭部の外径８．７ｍｍ）を通し、放熱部材１の裏面に配置した、ヒートシンク模擬部材の取り付け面（平面）に設けたネジ孔に４Ｎｍでねじ込んで放熱部材１を締付けた。こうして、ネジ部材１４の頭部１５の下面１５ａで、上のセラミック板３における貫通孔５の上端周縁面に面圧（圧縮力）をかけ、そのセラミックにおける寸法Ｌａの幅狭部及びその近傍のクラックの発生の有無を確認した。クラックの発生の有無は、蛍光探傷装置で確認した。
【００４５】
結果は、表１〜表３に示したとおりである。ただし、表１は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．２ｍｍのもので実施した結果であり、表２は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．２５ｍｍのもので実施した結果であり、表３は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．３２ｍｍのもので実施した結果である。なお、貫通孔の内径Ｄａは、φ５．５ｍｍとした。
【００４６】
【表１】
2005056933.tif 000003
【表２】
2005056933.tif 000004
【表３】
2005056933.tif 000005
【００４７】
表１に示したように、セラミック板が０．２ｍｍのものにおいては、Ｌａが１．５ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１〜３）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌａが１．７５ｍｍ以上（試料Ｎｏ．４〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００４８】
表２に示したように、セラミック板が０．２５ｍｍのものにおいては、Ｌａが１．２５ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１、２）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌａが１．５ｍｍ以上（試料Ｎｏ．３〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００４９】
表３に示したように、セラミック板が０．３２ｍｍのものにおいては、Ｌａが１．２５ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１、２）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌａが１．５ｍｍ以上（試料Ｎｏ．３〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００５０】
本実施の形態例におけるような貫通孔５をもち、そこにネジ部材１４を通してねじ込むことで放熱部材１を固定する構造のものにおいては、セラミック板の厚みｔが薄くなるのにつれてセラミック自体の強度が低下する。しかも、幅狭部の最小の寸法Ｌａが小さくなるにつれて、その幅狭部の強度が低下し、したがって、そこにクラックが発生し易くなる。一方、貫通孔５の内径Ｄａとの関係では、その内径Ｄａが小さいほど幅狭部の寸法（セラミックの幅）Ｌａを大きくしないと、応力集中により同幅狭部でクラックが発生し易くなると考えられる。
【００５１】
こうした中で、本願発明者による上記試験結果を示す各表の全データを解析して得られたのは、結論において次のようである。すなわち、同表中に示したように、Ｌａとｔとの関係において、Ｌａは、１／（３ｔ）以上あり、かつ、Ｌａと、Ｄａとの関係において、Ｌａは、Ｄａ／４以上ある場合において、クラックの発生がなかった。このことは、本発明の効果を実証するものである。
【００５２】
次に、前記の実施例において、貫通孔の径Ｄａをφ６．５ｍｍとし、ネジ部材のネジ径を６ｍｍ（頭部の径９．９ｍｍ）として、前同様の試験をしてみた。結果は、表４〜６に示したとおりである。
【００５３】
【表４】
2005056933.tif 000006
【表５】
2005056933.tif 000007
【表６】
2005056933.tif 000008
【００５４】
この場合においても、結論において各表中に示したように、Ｌａとｔとの関係において、Ｌａは、１／（３ｔ）以上あり、かつ、Ｌａと、Ｄａとの関係において、Ｌａは、Ｄａ／４以上ある場合（試料Ｎｏ．４〜７）において、クラックの発生がないということが判明した。本発明は、このような試験結果に基づいてなされたものである。
【００５５】
次に、請求項２に係る放熱部材の実施の形態例２について、図６及び図７に基づいて説明する。ただし、このものは、前記の貫通孔５に代えて、そこを切欠き状凹部２０とした点のみが相違するだけであるため、同一の部位には同一の符号を付し、その相違点のみ説明する。
【００５６】
すなわち、このものでは、平面視、対向する短辺Ｓのうち、放熱部材（基板）２１の４角寄り部位に、短辺Ｓ側に開口する切欠き状凹部２０を設けたものである。ただし、各切欠き状凹部２０は、開口側から奥所に向って一定幅Ｗ（本例では５．５ｍｍ）で短辺Ｓに対して平面視、垂直に切り込まれ、奥所がその幅を直径として半円弧状に形成されている。本例では、切欠き状凹部２０の短辺（側面）Ｓから奥までの奥行き（切込み）寸法Ｌｃは７．５ｍｍとされており、各切欠き状凹部２０は同じ大きさとされ、左右対称に配置されている。ここで、上のセラミック板３の厚みｔは、０．２ｍｍとされている。そして、切欠き状凹部２０の内面２０ａと基板の長辺Ｌとのなす幅（半島状部位２２の幅）Ｌｂは、３．５ｍｍで一定とされている。これにより、本例では、寸法Ｌｂは、２／（３ｔ）をなす（ここでｔ＝０．２ｍｍ）、３．３３ｍｍより大きく設定されている。このため、このような放熱部材２１を、この切欠き状凹部２０内にネジ部材１４通してねじ込み方式によって締付けたとしても、その幅Ｌｂの部位におけるセラミック３の破損が防止される。
【００５７】
ここで、本実施の形態において、切欠き状凹部２０の位置を短辺に沿って、Ｌｂを１．５〜４．５ｍｍにおいて変化させて半島状部位２２の幅Ｌｂを変えた実施例を作った。そして、このような各実施例を用い、その切欠き状凹部２０の奥所に、外径が５ｍｍのネジ部材（頭部の外径８．７ｍｍ）を通し、放熱部材２１の裏面に配置した、ヒートシンク模擬部材の取り付け面（平面）に設けたネジ孔に４Ｎｍでねじ込んで放熱部材２１を締付けた。こうして、ネジ部材１４の頭部１５の下面１５ａで、セラミック板３における切欠き状凹部２０の上部周縁面に面圧（圧縮力）をかけ、半島状部位（幅狭部）２２及びその近傍のクラックの発生の有無を確認した。クラックの発生の有無は、蛍光探傷装置で確認した。
【００５８】
結果は、表７〜表９に示したとおりである。ただし、表７は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．２ｍｍのもので実施した結果であり、表８は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．２５ｍｍのもので実施した結果であり、表９は、セラミック板の厚みを上下ともに、０．３２ｍｍのもので実施した結果である。
【００５９】
【表７】
2005056933.tif 000009
【表８】
2005056933.tif 000010
【表９】
2005056933.tif 000011
【００６０】
表７に示したように、セラミック板が０．２ｍｍのものにおいては、Ｌｂが３．０ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１〜４）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌｂが３．５ｍｍ以上（試料Ｎｏ．５〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００６１】
表８に示したように、セラミック板が０．２５ｍｍのものにおいては、Ｌｂが２．５ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１〜３）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌｂが３．０ｍｍ以上（試料Ｎｏ．４〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００６２】
表９に示したように、セラミック板が０．３２ｍｍのものにおいては、Ｌｂが２．０ｍｍ以下（試料Ｎｏ．１、２）では、いずれもクラックの発生が確認されたが、Ｌｂが２．５ｍｍ以上（試料Ｎｏ．３〜７）では、いずれもクラックの発生が確認されなかった。
【００６３】
本実施の形態例におけるような切欠き状凹部２０をもち、そこにネジ部材１４を通してねじ込むことで放熱部材２１を固定する構造のものにおいても、セラミック板の厚みｔが薄くなるのにつれてセラミック自体の強度が低下する。しかも、幅狭部の最小の寸法Ｌｂが小さくなるにつれて、その幅狭部の強度が低下し、したがって、そこにクラックが発生し易くなる。
【００６４】
こうした中で、本願発明者による上記試験結果を示す各表の全データを解析して得られたのは、結論において次のようである。すなわち、同表中に示したように、Ｌｂとｔとの関係において、Ｌｂは、２／（３ｔ）以上ある場合において、クラックの発生がなかった。本発明は、このような試験結果に基づくものである。
【００６５】
さて次に、請求項３に係る放熱部材３１の実施の形態例３について、図８及び図９に基づいて説明する。ただし、このものは、上のセラミック板３における貫通孔の上端周縁面に、金属層を形成した点のみが、図１における実施の形態のものと相違するだけであるため、同一の部位には同一の符号を付し、その説明のみ説明する。
【００６６】
すなわち、このものは、上のセラミック板３の表面のうち、貫通孔５の周縁に沿いかつ頭部付きネジ部材１４の頭部１５の下面１５ａに対応する領域を含む一定領域（ダブルハッチング部位）Ｍ１に対し、一定の厚さ（例えば０．４ｍｍ）金属層３２を形成したものである。本形態では、銅からなる金属層３２を平面視、貫通孔の上端周縁面に、円環状に、外径がネジ部材１４の頭部の外径より大きくなるように一定の幅で形成したものである。具体的には、金属層３２の外径（直径）をネジ部材１４の頭部１５の径の２倍としている。
【００６７】
しかして、このものにおいて、ネジ部材１４をその貫通孔５に通して、上記したようにねじ込む場合には、その頭部の下面１５ａは、セラミック板３の上面３ｃを直接押え付けるのではなく、金属層３２の上面を押え付けることになる。このため、そのねじ込み過程では、金属層３２が圧縮されて変形するため、セラミック板３に対する応力を緩和する。すなわち、このように、金属層３２が緩衝材（クッション）の作用をなすため、セラミック板３の破損が防止される。
【００６８】
なお、金属層３２は、ネジ部材１４の頭部１５の下面１５ａがセラミック板３を押え付けるとき、応力緩和作用をなすことができればよく、したがつて、その材質は特には限定されないが、上のセラミック板３の表面に回路層を設ける場合には、それと同じものとするのが製造上からして好ましい。すなわち、銅（銅合金）又はアルミニウム（アルミニウム合金）が適切である。なお、銅とする場合には、無酸素銅がとくに好ましいのは前記したとおりである。
【００６９】
ここで、貫通孔５の内径Ｄａが、φ６．５ｍｍで、上下のセラミック板の厚みを０．２ｍｍ、Ｌａを２．０ｍｍのものとし、かつ金属層３２を無酸素銅で厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍと変化させた実施例をつくり、金属層３２のない比較例とでその違いを確認した。ただし、その貫通孔５には、外径が６ｍｍのネジ部材１４を５Ｎｍ以上でねじ込んで、その頭部（頭部外径９．９ｍｍ）１５の下面１５ａで、セラミック板３における貫通孔５の上端周縁面上の金属層に面圧（圧縮力）をかけ、そのセラミック３にクラックが発生するまでのトルクを確認した。結果は、表１０に示したとおりである。
【００７０】
【表１０】
2005056933.tif 000012
【００７１】
表１０に示したように、比較例では５Ｎｍでセラミックにクラックが発生した。これに対し、金属層３２を設けたものでは、その厚みが０．１ｍｍのものでも、６Ｎｍ以上の締付けトルクに耐えられることが判明した。因みに、６Ｎｍの締付けトルクは、自動車に搭載される場合の仕様として要求されている基準トルクである。このような結果は、確実に本発明の効果を実証するものである。また、このような金属層は０．１ｍｍ以上あれば効果があることがわかる。
【００７２】
次に、請求項４に係る放熱部材４１の実施の形態について、図１０及び図１１に基づいて説明する。ただし、このものは、前記形態における上のセラミック板３における貫通孔に代えて、図６における実施の形態のように切欠き状凹部とし、その上端周縁面に、金属層を形成した点のみが、それらと相違するだけであるため、同一の部位には同一の符号を付し、その相違点のみ説明する。
【００７３】
すなわち、このものは、上のセラミック板３の表面のうち、切欠き状凹部２０の周縁に沿いかつ頭部付きネジ部材１４の頭部１５の下面１５ａに対応する領域を含む一定領域Ｍ２に対し、一定の厚さ（例えば０．４ｍｍ）金属層３２を形成したものである。本形態では、銅からなる金属層３２は、平面視、切欠き状凹部２０の上端周縁面に沿って、平面視、Ｕ字形に一定の幅で形成したものである。ただし、ネジ部材１４の位置が切欠き状凹部２０内でずれても、頭部１５の下面が常に金属層３２の上面に位置するように設定されている。
【００７４】
しかして、このものにおいても、ネジ部材１４をその切欠き状凹部２０に通して、上記したようにねじ込む場合には、その頭部の下面１５ａは、セラミック板３の上面３ｃを直接押え付けるのではなく、金属層３２の上面を押え付けることになる。このため、そのねじ込み過程では、金属層３２が圧縮されて変形するため、セラミック板３に対する応力を緩和するので、金属層３２が緩衝材（クッション）の作用をなすため、セラミック板３の破損が有効に防止される。
【００７５】
本発明は上記した各実施の形態のものに限定されるものではなく、適宜に設計変更して具体化できる。また、放熱板の材質、寸法（厚み等）、セラミック板の寸法（厚み等）、あるいはこれらの接合法についても、適宜に変更して具体化すればよい。ただし、セラミック板の板厚は、上下ともなるべく同じ厚さとするのが好ましい。とくに、上のセラミック板の板厚は、上記もしたように、ネジ部材による締付けに対する強度確保の点からして０．１ｍｍ以上とする一方、放熱性の低下防止の観点からして０．５ｍｍ以下に設定するのが好ましい。さらに、貫通孔の大きさ、形状、及び数、或いは、切欠き状凹部の大きさ、形状、数等は適宜に設定すればよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の放熱部材によれば、反りの発生を有効に防止できる。このため、本発明の放熱部材を使用して回路基板を形成し、さらに半導体素子を搭載して半導体装置とし、これをその放熱部材を介して空冷方式又は水冷方式のヒートシンクに取りつけた際においては、反りに起因する放熱特性上の問題を解消できる。
【００７７】
また、本発明の放熱部材は、これを、貫通孔又は切欠き状凹部に頭部付きネジ部材を通してねじ込むことでヒートシンクに取付ける場合においても、上のセラミック板にクラック等の破損を発生させないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる放熱部材の実施の形態例１の平面図及び要部拡大図。
【図２】図１における一部破断側面図及び要部拡大図。
【図３】図１の放熱部材に回路層を形成してなる回路基板の側面図。
【図４】図３の回路基板に半導体素子を設けてなる半導体装置の側面図。
【図５】図４の半導体装置をヒートシンクに取付けた時の断面図。
【図６】本発明にかかる放熱部材の実施の形態例２の平面図及び要部拡大図。
【図７】図６における一部破断側面図及び要部拡大図。
【図８】本発明にかかる放熱部材の実施の形態例３の要部拡大側断面図。
【図９】図８における平面図。
【図１０】本発明にかかる放熱部材の実施の形態例４の要部拡大側断面図。
【図１１】図１０における平面図。
【符号の説明】
１  放熱部材
２  金属製の放熱板
３、４  セラミック板
３ａ  一方のセラミック板の外周をなす側面
５  ヒートシンクへの取付け用の頭部付きネジ部材挿通用の貫通孔
５ａ  貫通孔の内面
６  セラミック板の表面の回路層
１０  回路基板
２０  頭部付きネジ部材挿通用の切欠き状凹部
２０ａ  切欠き状凹部の内面
２２  半島状部位（半島状をなす部位）
ｔ  一方のセラミック板の板厚
Ｌａ  貫通孔の内面と、セラミック板の側面とのなす最小の寸法
Ｄａ  貫通孔の内径
Ｌｂ  半島状部位の最小の幅の寸法
【図１】
2005056933.tif 000013
【図２】
2005056933.tif 000014
【図３】
2005056933.tif 000015
【図４】
2005056933.tif 000016
【図５】
2005056933.tif 000017
【図６】
2005056933.tif 000018
【図７】
2005056933.tif 000019
【図８】
2005056933.tif 000020
【図９】
2005056933.tif 000021
【図１０】
2005056933.tif 000022
【図１１】
2005056933.tif 000023