(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム基板の一方の面に回路、反対面に放熱板が形成されてなる回路基板の放熱板に、ベース板を介して又は介さずにヒートシンクが取り付けられてなるものであって、回路の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、アルミニウム７０〜９５重量部、シリコン３０〜５重量部及び銅１〜５重量部の合計量１００重量部あたり、活性金属成分としてチタンを１〜３５重量部含むろう材により窒化アルミニウム基板に接合されてなり、且つ、上記放熱板、ベース板、ヒートシンクの材質が、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金及び銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔から選ばれたいずれかの金属であり、しかも放熱板とベース板、又は放熱板とヒートシンクとが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とするパワーモジュール用ヒートシンク付き回路基板。
【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電子回路部品、特にインテリジェントパワーモジュールに好適なヒートシンク付き回路基板に関する。
【０００２】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散するため、大電力モジュールの回路基板では様々な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有するセラミックス基板が利用できるようになったため、その基板上に銅板などの金属板を接合し回路を形成後、そのままあるいはメッキ等の処理をしてから半導体を実装し、またセラミックス基板の反対面には放熱銅板を接合し、更に放熱銅板には厚さ数ｍｍ程度の銅ベース板を半田付けしてからヒートシンクにネジ止めして使用されている。
【０００３】
しかしながら、上記方法では回路基板の組立にかなりの労力を要するので、コスト高になるという問題点があった。また、半導体素子の発熱とその冷却にともなうヒートサイクルによって、回路とセラミックス基板間、セラミックス基板と放熱銅板間、更には放熱銅板と銅ベース板間に熱膨張差による熱応力が発生し、各部品が剥がれたり、またヒートシンクにねじ止めする際に異物を挟み込み、応力集中が起こってセラミックス基板が割れたりし、パワーモジュールの信頼性を著しく低下させるという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、回路基板の組立労力を低減し、しかもヒートサイクルに対する信頼性を向上させたヒートシンク付き回路基板を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下を要旨とするものである。
（請求項１）セラミックス基板の一方の面に回路、反対面に放熱板が形成されてなる回路基板の放熱板に、ベース板を介して又は介さずにヒートシンクが取り付けられてなるものであって、上記回路、放熱板、ベース板、ヒートシンクの材質が、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金及び銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔から選ばれたいずれかの金属であり、しかも放熱板とベース板、又は放熱板とヒートシンクとが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とするヒートシンク付き回路基板。
（請求項２）回路、放熱板及び／又はベース板の材質が、ニッケルメッキの施された銅であることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。
（請求項３）回路及び／又は放熱板が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。
（請求項４）回路及び／又は放熱板の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付き回路基板。
（請求項５）ヒートシンクの材質が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜４記載のいずれかに記載のヒートシンク付き回路基板。
（請求項６）セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項５記載のヒートシンク付き回路基板。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
【０００７】
本発明に用いられるセラミックス基板の材質は、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パワーモジュール用には窒化アルミニウムが適している。特に、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ2 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×１０13Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム焼結体が好適であり、その製造法については特願平９−１２１９９５号明細書の実施例に詳記されている。
【０００８】
回路、放熱板及びベース板の材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮すると銅又は銅合金が最適である。熱応力に対する耐久性を重んじる場合は、アルミニウム又アルミニウム合金が用いられる。更には、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔を用いることもでき、それによって銅の電気伝導性とアルミニウムの耐久性の両方を備えたものにすることがとなる。クラッド箔における第三金属の具体例は、ニッケル、チタン、クロム、ジルコニウム等である。
【０００９】
回路、放熱板及びベース板に用いられる上記金属は、その表面にニッケルメッキが施されたものであってもよい。特に後述のように、放熱板とベース板、放熱板とヒートシンクを接合する際にその接合層にＡｌ成分とＮｉ成分を含む合金層を存在させたり、また銅−ニッケル−アルミニウムクラッド構造の回路や、放熱板をセラミックス基板に形成させる場合には、金属のいずれか一方又は両方にはニッケルメッキが施されていることが好ましい。ニッケルメッキの厚みとしては、３〜２０μｍ程度である。
【００１０】
回路の厚みは、０．１〜０．５ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると電流容量が小さくなって、回路の能力が制限され、また厚みが厚すぎると熱膨張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかるので回路基板の耐久性が低下する。
【００１１】
放熱板の厚みは、０．１〜１．０ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると、回路基板とベース板又はヒートシンクとの間の緩衝効果が小さくなり、また厚みが厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応力を与えることになるので回路基板の耐久性が低下する。
【００１２】
更には、ベース板の厚みは、５ｍｍ以下であることが望ましい。厚みが薄すぎるとヒートサイクルに対する熱衝撃を緩和することができず、またろう材の金属成分が放熱板に拡散し熱伝導特性が変化する。また、厚みが厚すぎると重くなり、取り扱いにくいものとなる。このようなベース板は、本発明においては、必ずしも必要ではなく、回路基板の放熱板にヒートシンクを直接接合することもできる。ベース板を介してヒートシンクを放熱板に取り付けることによって、ヒートサイクルに対する熱衝撃を著しく緩和することができ、耐久性が一段と向上するという利点がある。
【００１３】
回路及び放熱板をセラッミクス基板に形成（回路基板の作製）する方法としては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路又は放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことができる。
【００１４】
金属板又はパターンの接合は、活性金属成分を含むろう材によるろう付け法、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用にはセラミックス基板が窒化アルミニウム基板で、金属は銅が適しているので、その場合は活性金属成分を含むろう材によるろう付け法が用いられる。
【００１５】
活性金属成分を含むろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。活性金属成分の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの化合物である。これらの割合としては、銀７０〜１００重量部と銅３０〜０重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３〜３５重量部である。
【００１６】
アルミニウム又はその合金からなる金属板又はパターンをセラミックス基板に接合する場合は、ろう材の成分はＡｌとＳｉを主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために銅及び活性金属を副成分とする。これらの割合は、アルミニウム７０〜９５重量部、シリコン３０〜５重量部及び銅１〜５重量部の合計量１００重量部あたり、活性金属１〜３５重量部である。
【００１７】
ろう材の金属成分は、通常、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合し、ペーストを調製して使用される。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合材としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が用いられる。
【００１８】
ヒートシンクの材質は、銅又は銅合金、アルミニウム又アルミニウム合金、銅−第三金属−アルミニウムのクラッドであるが、アルミニウムが一般的である。ヒートシンクと放熱板又はベース板とを、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合する場合には、ニッケルメッキの施されたヒートシンクが使用されることもある。
【００１９】
ヒートシンクの形状は、ベース板よりも広い面積を持ち、厚みが１０ｍｍ以上の直方体形状ないしはフイン形状が使用される。
【００２０】
ヒートシンクを回路基板の放熱板に取り付ける場合は、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層を存在させた接合層を介して行われるが、ヒートシンクをベース板に取り付ける場合には、この接合層を介在させる方法の他に、ネジ止め等の物理的手段によって行うこともできる。
【００２１】
回路基板とベース板とヒートシンク、又は回路基板とヒートシンクとを一体化し、本発明のヒートシンク付き回路基板を製作するには、それらの一つ一つを接合する方法、任意の２以上の部材を予め接合しておきそれらを接合する方法、回路基板作製時の熱源を利用して、回路基板の作製と同時に全ての部材又は一部の部材を一体化する方法が採用される。
【００２２】
本発明の特徴の一つは、これらの部材の接合において、ヒートシンクと回路基板の放熱板とを、又はヒートシンクとベース板とを、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されていることである。これによって、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶半田による半田付け法よりも、高い信頼性を有するヒートシンク付き回路基板となる。
【００２３】
このような接合層を介在させて接合するには、いずれか一方又は両方の金属部材にニッケルメッキを施し、それらを直接接触配置し、加熱処理することによって行うことができる。熱処理は、１×１０-4Ｔｏｒｒ程度の真空下で行われ、その加熱炉は赤外線式加熱炉等のように急速な昇温が可能で微妙な温度コントロールができるものが望ましい。加熱は、アルミニウムとニッケルの共晶点近くまで上昇させ、アルミニウムとニッケルの界面をわずかに溶融させた後、１℃／分以上の速度で冷却する。具体的には、温度６２０〜６３０℃で３〜１０分間の保持を行ってから１℃／分以上の速度で冷却する。
【００２４】
上記は、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を、いずれか一方又は両方の金属にニッケルメッキを施したものを用いて形成させる方法を説明したが、本発明においては、ニッケルメッキのかわりにニッケル成分を０．１〜１．２重量％程度を含むアルミニウムなどの金属を用いても生成させることができる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例をあげて具体的に説明する。
【００２６】
セラミックス基板の製造
窒化アルミニウム粉末９６部（重量部以下同じ）、イットリア粉末４部をボールミルにて３０分予備混合し、オレイン酸１部を加え更に３０分混合した。この混合物に、メチルセルロースを８部加え、高速ミキサーにて１分間混合した後、グリセリン３部と水１２部の混合溶液をミキサーを撹拌させながら加え、２分間混合して造粒物を得た。この造粒物をロールにて混練した後、真空脱気を行いながら押出成形機に投入し、グリーンシート形状に押し出した。次いで、これを５８ｍｍ×４５ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさに打ち抜き、８０℃×２０分乾燥後、空気中５００℃で１時間加熱して結合剤を除去した後、還元雰囲気下、１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼結を行って、窒化アルミニウム基板を製造した。
【００２７】
回路基板Ａの作製
銀粉末７５部、銅粉末２５部、ジルコニウム粉末１５部、テルピネオール１５部、及び有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で１重量部加え、混練してろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２８】
次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板（厚み０．３ｍｍ）を接触配置してから、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００２９】
この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面に銅回路パターンを、またその反対面にはベタ銅パターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を形成した。この銅回路パターン間には、残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、それを温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した。次いで、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）を施して回路基板Ａを作製した。
【００３０】
回路基板Ｂの作製
アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１０部、銅粉末４部及び水素化チタニウム粉末１５部からなる混合粉末１００部にテルピネオール１５部とポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を加え、混練してろう材ペーストを調製し、それを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は３．０ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００３１】
次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニウム板（純度９９．５％、厚み０．５ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度６４０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３２】
次いで、この接合体のアルミニウム板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って、アルミニウム板不要部分とアルミニウム回路間に存在する不要ろう材等を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面にアルミニウム回路、反対面にはベタアルミニウムパターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を有する回路基板Ｂを作製した。
【００３３】
回路基板Ｃの作製
回路基板Ｂの作製過程で製造された接合体（窒化アルミニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合体）の両面に、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）の施された厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の高真空下、６３０℃×５分の条件で接合を行った。得られた接合体を回路基板Ｂの作製と同様にしてエッチングし、窒化アルミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅クッラド箔からなる回路、他方の面に同構造のクラッド箔からなる放熱板を有する回路基板Ｃを作製した。
【００３４】
回路基板Ｄの作製
回路基板Ｂの作製過程で製造された接合体（窒化アルミニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合体）の片面にのみニッケルメッキ（厚み５μｍ）の施された厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の高真空下、６３０℃×５分の条件で接合を行った。得られた接合体を回路基板Ｂの作製と同様にしてエッチングし、窒化アルミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅クラッド箔からなる回路、他方の面にアルミニウム板からなる放熱板を有する回路基板Ｄを作製した。
【００３５】
ベース板の接合
表１に示すａ〜ｃによって、回路基板の放熱板にベース板を接合した。
【００３６】
【表１】
0003933287.tif 000002
【００３７】
ヒートシンクの取り付け
表２に示すイ〜ホによって、回路基板の放熱板にベース板を介して又は介さずにヒートシンクを取り付けた。
【００３８】
【表２】
0003933287.tif 000003
【００３９】
実施例１〜８  比較例１
回路基板の作製、ベース板の接合及びヒートシンクの取り付けを、表３に示す種々の組合せによってヒートシンク付き回路基板を作製した。
【００４０】
得られたヒートシンク付き回路基板のヒートサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとして行い、回路基板１０枚のうち少なくとも１枚が銅板剥離や、ヒートシンクとの界面で破壊した等の不良が生じた最初のヒートサイクル回数を測定した。それらの結果を表３に示す。
【００４１】
また、実施例２、４で得られた回路基板については、回路基板の放熱板とベース銅板との間に生成した接合層の、また実施例１、５、６の回路基板については、回路基板の放熱板とヒートシンクとの間に生成した接合層の、更には実施例３、７、８の回路基板については、回路基板の放熱板とベース銅板との間に生成した接合層及びベース銅板とヒートシンクとの間に生成した接合層の、それぞれの接合層について、その組成をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）により測定した。その結果、いずれの接合層も、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕを含む合金層が３μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉを含む合金層が５μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉからなる合金層が８μｍ程度含まれていた。
【００４２】
【表３】
0003933287.tif 000004
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーモジュール用電子回路部品として好適な、放熱性と耐ヒートサイクル性に優れたヒートシンク付き回路基板を提供することができ、パワーモジュールの組立工程を大幅に短縮することができる。