(57)【要約】【課題】  金属等からなる放熱板の両面にセラミックス部材を接合して複層構造にすると、反りのない高性能の放熱部材が得られる。本発明は斯かる複層構造の放熱部材をさらに改良するべくなされたもので、具体的には、製造時の歩留が高くしかも耐熱サイクル性に優れた放熱部材の提供を目的とする。【解決手段】  金属等からなる放熱板１ａの両面にセラミックス部材１ｂ，１ｃを接合してなる放熱部材１であって、前記セラミックス部材１ｂ，１ｃの他の部材に接する接合面の面粗度Ｒａを２.０μｍ以下にした。こうすることにより製造時の歩留と耐熱サイクル性の飛躍的な向上が同時に達成できる。【選択図】        図１
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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両面にセラミックス部材を接合してなる放熱部材であって、
前記セラミックス部材の他の部材に接する接合面の面粗度Ｒａを２.０μｍ以下にした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は、破壊靭性が５ＭＰａｍ０.５以上、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１記載の放熱部材。
【請求項３】
前記セラミックス部材は、窒化珪素を主成分とし、該窒化珪素にIIａ族元素の成分を含む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】
前記セラミックス部材の窒化珪素は８０〜９９重量％、また、IIａ族元素の成分は酸化物換算で０.３〜８重量％であることを特徴とする請求項３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前記二枚のセラミックス部材のうちの何れか一方の外面に回路金属層を一体に接合してなることを特徴とする回路基板。
【請求項６】
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いわゆる発熱性電子部品は、文字通り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には銅板やアルミニウム板等の放熱部材が一体に設けられている。そして多くの場合、さらなる熱対策として前記放熱部材の下面にヒートシンクが取り付けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
金属等からなる放熱板の両面にセラミックス部材を接合して複層構造にすると、反りのない高性能の放熱部材が得られる。
本発明は斯かる複層構造の放熱部材をさらに改良するべくなされたもので、具体的には、製造時の歩留が高くしかも耐熱サイクル性に優れた放熱部材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載したように、金属等からなる放熱板の両面にセラミックス部材を接合してなる放熱部材であって、前記セラミックス部材の他の部材に接する接合面の面粗度Ｒａを２.０μｍ以下にした放熱部材を提供する。
また、請求項２に記載したように前記セラミックス部材は、破壊靭性が５ＭＰａｍ０.５以上、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上である請求項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セラミックス部材は、窒化珪素を主成分とし、該窒化珪素にIIａ族元素の成分を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の放熱部材を提供する。
また、請求項４に記載したように前記セラミックス部材の窒化珪素は８０〜９９重量％、また、セラミックス部材のIIａ族元素の成分は酸化物換算で０.３〜８重量％である請求項３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前記二枚のセラミックス部材のうちの何れか一方の外面に回路金属層を一体に接合してなる回路基板を提供する。
また、請求項６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又は請求項５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】
【０００５】
請求項１記載の発明では、放熱板の両面にセラミックス部材を接合してなる放熱部材に対し、前記セラミックス部材の例えば放熱板に接する接合面の JIS B 0601 に準拠する面粗度Ｒａを２.０μｍ以下にすることで、製造時の歩留と耐熱サイクル性の飛躍的な向上が同時に達成できる。
【０００６】
また、放熱部材においてセラミックス部材の破壊靭性、３点曲げ強度、熱伝導率の三要素は極めて重要であり、これらを請求項２に記載した値に規定することで、製造時の歩留が高く、耐熱サイクル性に優れ、十分な放熱特性を持った放熱部材が得られる。ちなみに破壊靭性が５ＭＰａｍ０.５以上であると、衝撃によるクラック等への脆さによる製造時の歩留の低下を抑制し且つクラックに対する耐性不足による耐熱サイクル性の低下を抑制する。また、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であると、取り扱いが容易で製造時に壊れづらく歩留の低下を抑制し且つ熱応力に対する耐性不足による耐熱サイクル性の低下を抑制する。また、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であると放熱特性が十分で温度の上昇を抑制する。なお、本発明において、破壊靭性の測定はJIS R 1607、３点曲げ強度の測定はJIS R 1601、熱伝導率の測定はJIS R 1611によって行うことができる。
【０００７】
請求項３記載の発明で素材として選択した窒化珪素は、絶縁板として使用できるセラミックスの中で強度、靭性などの機械的特性が優れていてセラミックス部材に最適であり、さらにその窒化珪素に加えたIIａ族元素の成分が、セラミックス部材の熱伝導率の高レベル維持、焼結性の向上、生産性の向上という作用を発揮し、それらの相乗効果で放熱部材の製造時の歩留と耐熱サイクル性の向上に大きく貢献する。そして前記窒化珪素とIIａ族元素の成分の酸化物換算量は請求項４に記載した範囲の割合で配合するのが最もよい。
【０００８】
また、前記構成の放熱部材に回路金属層を一体に接合してなる請求項５記載の回路基板や、前記構成の放熱部材又は回路基板に半導体素子を設けてなる請求項６記載の半導体部品も上記の利益が享受できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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は半導体部品の分解斜視図、図３は使用状態を示す正面図、図４は曲げ試験を示す概略の正面図である。
放熱部材１は、図１の分解斜視図に示したように放熱板１ａの上下両面にセラミックス部材１ｂ，１ｃを接合してなる。
【００１０】
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。
【００１１】
また、セラミックス部材１ｂ，１ｃは、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等で形成されるが、好ましくは窒化珪素がよい。そしてさらに好ましくは窒化珪素にIIａ族元素の成分を加えて焼成したものがよく、なかでも８０〜９９重量％の窒化珪素成分に、酸化物換算で０.３〜８重量％のIIａ族元素の成分を添加したものが最もよい。ちなみに窒化珪素量が８０重量％以上では熱伝導率の低下を抑制し且つ粒界層部分に対する窒化珪素粒子部分の割合が十分に確保され接合強度の低下が抑制される。また、IIａ族元素の成分の量が酸化物換算で０.３重量％以上では焼結性の低下が抑制され、逆に８重量％以下であると粒界層部分が過剰にならず接合強度の低下が抑制される。
前記IIａ族元素の成分は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａよりなり、IIａ族元素の単体又はIIａ族元素の酸化物、窒化物、炭窒化物などのIIａ族元素を含む化合物の中から１種を単独成分又は２種以上を使用する。これらのIIａ族元素の成分を含有させることにより、セラミックス部材１ｂ，１ｃの熱伝導率の高レベル維持、焼結性の向上、生産性の向上に大きく貢献する。
【００１２】
しかしてセラミックス部材１ｂ，１ｃは、 JIS R 1607 に準拠する破壊靭性が５ＭＰａｍ０.５以上、 JIS R 1601 に準拠する３点曲げ強度（図４の支点間距離ｘ＝３０ｍｍ）が５００ＭＰａ以上、 JIS R 1611 に準拠する熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、となるように材質・寸法が決められる。例えば、８０〜９９重量％の窒化珪素成分に、酸化物換算で０.３〜８重量％のIIａ族元素の成分を添加し、その他の成分としてIIIａ族元素の成分（例えば酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３））を加えてセラミックス材料を製造し、そのセラミックス材料で板厚０.２ｍｍ〜０.５ｍｍに加工したセラミックス部材１ｂ，１ｃは上記性質を充足する。なお、上記性質を充足しているかはセラミックス部材１ｂ，１ｃと同じ材料のJIS規定の試料片を用いて確認する。
【００１３】
前記放熱板１ａとセラミックス部材１ｂ，１ｃは、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が、本発明のセラミックス部材１ｂ，１ｃは、放熱板１ａとの接合面が JIS B 0601 に準拠する面粗度Ｒａ＝２.０μｍ以下に仕上げられている。
【００１４】
図２は前記放熱部材１の一方（例えば図２において上側）のセラミックス部材１ｂの外面に回路金属層３ａを接合して回路基板３としたものである。回路金属層３ａ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。前記回路金属層３ａ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が、本発明のセラミックス部材１ｂは、回路金属層３ａとの接合面である図２における上面も JIS B 0601 に準拠する面粗度Ｒａ＝２.０μｍ以下に仕上げられている。
この回路金属層３ａの上に半導体素子４ａ，４ａ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４が出来る。
【００１５】
以上のようにして形成した半導体部品４は、図３に示したようにヒートシンク５等の取付部に対し、放熱部材１の四コーナーに固定用治具７を設けその固定用治具７に形成した透孔７ａにネジ６を通して固定する。
【実施例】
【００１６】
縦×横×厚みが７０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍであるＣｕ製の放熱板１ａに、表１の割合のセラミックス材料からなるセラミックス部材１ｂ，１ｃをろう付けして実施例１〜１３の放熱部材１を製造し、セラミックス部材接合後の歩留と、耐熱サイクル性について試験した。なお、本実施例においてはIIａ族元素の成分としてＭｇＯを用い、IIIａ族元素の成分としてＹｂ２Ｏ３を用いた。耐熱サイクル性の試験は、室温→−４０℃→室温→１２５℃→室温の熱サイクルを繰り返し、接合面に入るクラック或いは接合部の剥離状況を観察した。
また、比較のため、前記実施例１〜１３と同じ放熱板１ａに、表１の割合のセラミックス材料からなるセラミックス部材１ｂ，１ｃをろう付けして比較例１〜９の放熱部材１を製造し、実施例１〜１３と同様にセラミックス部材接合後の歩留と、耐熱サイクル性について試験した。その結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１の実施例１〜４と比較例１，２の放熱部材１は、セラミックス部材１ｂ，１ｃのセラミックス特性中、接合面の面粗度のみ異ならせたものである。この実施例１〜４と比較例１，２の接合後歩留と耐熱サイクル性に関するデータによれば、セラミックス部材１ｂ，１ｃの面粗度が放熱部材１の歩留と耐熱サイクル性に明らかに影響を与えていることが確認でき、特にセラミックス部材１ｂ，１ｃの面粗度Ｒａが２.０μｍ以下の場合に接合後歩留と耐熱サイクル性の両面で満足できる成果が得られている、ということが確認できた。
その他にも比較例３〜６と実施例１〜１３の比較によりセラミックス部材１ｂ，１ｃの破壊靭性、曲げ強度、熱伝導率が放熱部材１の歩留と耐熱サイクル性を高めるために重要であって、本発明の規定範囲内で満足できる成果が得られていること、また、比較例７〜９と実施例１〜１３の比較によりセラミックス部材１ｂ，１ｃを構成する窒化珪素とIIａ族元素の成分の配合比率が放熱部材１の歩留と耐熱サイクル性を高めるために重要であって、本発明の規定範囲内で満足できる成果が得られていることが確認できた。
【００１９】
なお、本発明はもちろん本実施例にとらわれない。例えば本実施例においては固定用治具７を用いて半導体部品４をヒートシンク５に設置したが、放熱部材１の例えば四コーナーに透孔を形成し、その透孔にネジを通して固定してもよい。
また、本実施例においては、IIａ族元素の成分およびIIIａ族元素の成分として酸化物を用いたが、単体もしくは他の化合物でもよい。
さらに、セラミックス部材１ｂ，１ｃには、特性を阻害しない範囲であれば、着色あるいは特性改善のためにIVａ，Ｖａ，VIａ族元素の成分を１種以上含有させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】放熱部材の分解斜視図である。
【図２】半導体部品の分解斜視図である。
【図３】使用状態を示す正面図である。
【図４】曲げ試験を示す概略の正面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  …放熱部材
１ａ…放熱板（セラミックス部材に接合する他の部材）
１ｂ…セラミックス部材
１ｃ…セラミックス部材
３  …回路基板
３ａ…回路金属層（セラミックス基板に接合する他の部材）
４  …半導体部品
４ａ…半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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