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JP2003078086A - 半導体素子モジュール基板の積層構造 - Google Patents

半導体素子モジュール基板の積層構造

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Publication number
JP2003078086A
JP2003078086A JP2001267339A JP2001267339A JP2003078086A JP 2003078086 A JP2003078086 A JP 2003078086A JP 2001267339 A JP2001267339 A JP 2001267339A JP 2001267339 A JP2001267339 A JP 2001267339A JP 2003078086 A JP2003078086 A JP 2003078086A
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JP
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aluminum
metal
copper
semiconductor element
Prior art date
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Application number
JP2001267339A
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Yoshiyuki Shin
佳之 新
Atsushi Sugai
淳 菅井
Soichi Asano
壮一 浅野
Hiroaki Okano
宏昭 岡野
Atsushi Funakoshi
淳 船越
Kiyoyuki Esashi
清行 江刺
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NIPPON HYBRID TECHNOLOGIES KK
Kubota Corp
Original Assignee
NIPPON HYBRID TECHNOLOGIES KK
Kubota Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子モジュール基板の層間整合性、接合
強度、放熱特性等の改良。 【解決手段】セラミックス板(11)の素子搭載面となる側
にアルミニウム層(12a),銅層（13a）を積層し、背面側
にアルミニウム層(12b)（これに銅層13bが積層される場
合もある）を形成された回路基板(10)と、複合層（セラ
ミックスと高熱伝導性金属Al,Cu,Mg等との混合体）(2
1)、該複合層の金属と同一種の高熱伝導性金属からなる
フィン(22)（複合層21のおもて面に同一種の金属層23が
設けられる場合もある）を有するヒートシンク(20)とか
らなる。回路基板のセラミックス板(11)とアルミニウム
層(12a)(12b)とは直接接合され、界面にろう材等は介在
しない。ヒートシンク(20)の複合層(21)とフィン(22)と
金属層(23)とは境界面を有しない一体成形品である。回
路基板のアルミニウム層と銅層との間にNi等からなる隔
壁層(14a)(14b)を設ける場合も有る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子モジュ
ール基板の改良に係り、詳しくは回路基板及びヒートシ
ンク部材のそれぞれの積層構造における層間整合性を良
好にし、接合強度を高めると共に、回路基板の発生熱を
ヒートシンクを介して速やかに逃がすための良好な放熱
特性を具備せしめたものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子を搭載される回路基板と、ス
イッチング動作により発生する熱を回路基板から逃がす
ためのヒートシンク部材とを備えた半導体素子モジュー
ル構成において、高電流用途では回路基板として、窒化
アルミニウム，アルミナ等のセラミックス板（絶縁基
板）に、アルミニウムや銅等の高導電性金属の回路用金
属層を形成したセラミックス-金属接合基板が使用され
る。セラミックス板と回路用金属層は、例えばろう材を
介して接合されている。
【０００３】一方ヒートシンク部材には、従来アルミニ
ウムや銅等の高熱伝導性金属部材が使用されてきたが、
近時はこれに代え金属セラミックス複合基板の使用も試
みられている。これは、セラミックス（炭化珪素，窒化
アルミニウム，アルミナ，窒化珪素等）と高熱伝導性金
属との混合体であり、セラミックスによる低熱膨張性と
含浸金属（アルミニウム，銅等）による高熱伝導性を帯
有させたものである。ヒートシンク部材と回路基板はろ
う材を介して積層接合される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】回路基板の回路用金属
層を形成する代表的な高導電性金属であるアルミニウム
と銅とを比較すると、アルミニウムは熱膨張係数（α）
が約23.5×10−６/Kと高いため、セラミックス板（例え
ば窒化アルミニウム：約4.5×10−６/K）との整合性に
乏しい。セラミックス板の背面側にアルミニウム層を設
けてヒートシンク部材と接合する場合も同様である。他
方、銅は、比較的低い熱膨張係数（約17.0×10−６/K）
を有すると共に、電気抵抗もアルミニウムに比し低く
（Ｃｕ：1.69×10−６Ωcm、Ａｌ：2.6×10−６Ωc
m）、回路形成材料として有利と考えられる。また、ア
ルミニウム層では、はんだ接合性を高めるためのニッケ
ルめっきに際して、ふっ化物処理および亜鉛置換処理等
の表面処理を必要とするが、銅層は比較的めっきの載り
性が良く、そのような処理を要しない点でも有利であ
る。
【０００５】しかし、銅は、アルミニウムに比し変形抵
抗が著しく大きく、柔軟性に乏しい（0.2%耐力=Ｃｕ:49
MPa，Ａｌ:29ＭＰａ）。このため、比較的低い熱膨張係
数を有しながら、セラミックス板との整合性が悪く、温
度サイクルを受けた場合、熱応力による亀裂・剥離等を
生じ易い。このような積層界面の亀裂・剥離はデバイス
の熱伝導経路を遮断し、モジュール内部の熱抵抗の増大
によるデバイスの昇温と素子破壊を助長する要因とな
る。本発明は半導体素子モジュール構造に関する上記問
題を解消し、積層構造における層間整合性を高め、接合
を強化すると共に、良好な放熱特性を確保するための改
良された積層構造を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子モジ
ュール積層構造は、セラミックス板の半導体素子搭載面
となる側（おもて面）にアルミニウム又はアルミニウム
合金層および銅又は銅合金層がこの順に積層形成されて
いる回路基板と、セラミックスと高熱伝導性金属との混
合体である熱膨張率４×10−６〜９×10−６／Ｋの金属
セラミックス複合層、該複合層の金属と同一種の高熱伝
導性金属からなるフィンおよび複合層のおもて面を被覆
する金属層とが一体成形されているヒートシンク部材と
からなる。
【０００７】回路基板は、所望により、そのセラミック
ス板の背面側にアルミニウム又はアルミニウム合金層が
設けられ（図２）、またこれに銅又は銅合金層を設けた
積層構成を与えられる（図３）。回路基板が、セラミッ
クス板の背面側にアルミニウム又はアルミニウム合金層
（及びこれに積層される銅又は銅合金層）を有する場
合、ヒートシンク部材は、複合層を被覆する金属層を省
略された層構成とする場合もある（図５）。回路基板と
ヒートシンク部材とは、回路基板のセラミックス板の背
面側に設けられた金属層（アルミニウム層，銅層等）及
び／又はヒートシンクの複合層を被覆する金属層を介し
て積層接合されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例を示
す図面を参照して具体的に説明する。まず回路基板の積
層構造ついて説明する。図１は、回路基板の積層構造の
例を示している。この回路基板（１０）は、絶縁層であ
るセラミックス板（１１）のおもて面（半導体素子搭載
面となる側）に、アルミニウム又はアルミニウム合金層
（１２ａ）と銅又は銅合金層（１３ａ）とがこの順に積
層形成されている。銅又は銅合金層（以下「銅層」）
（１３ａ）は半導体素子搭載層であり、アルミニウム又
はアルミニウム合金層（以下「アルミニウム層」）（１
２ａ）は熱応力緩和層として機能する。銅層（１３ａ）
およびアルミニウム層（１２ａ）にはエッチングあるい
はプレス加工等により導電回路パターンを形成すること
もできる。またアルミニウム層(１２ａ)の一部のみをエ
ッチングまたはプレス加工等で削除することにより、熱
応力緩和効果を一段と高めることができる。上記アルミ
ニウム層（１２ａ）の層厚は約0.01〜0.8ｍｍ、銅層
（１３ａ）の層厚は約0.01〜0.8ｍｍである。
【０００９】回路基板（１０）のセラミックス板（１
１）の材種は、窒化アルミニウム（AlN），アルミナ（A
l２O３），窒化珪素（Si３N４）ベリリア（BeO）等であ
る。殊にＡｌＮは、高熱伝導率・低熱膨張率（熱伝導率
=約170W/m・K，熱膨張係数=約4.5×10−６/K）と高い比
抵抗（約10１４Ω・cm）を具備し、絶縁基板として好適
である。更に好適なセラミックスの他の例として、近年
開発された高熱伝導率，高強度を有する窒化珪素（Si３
N４）が挙げられる。このものは、焼結処理条件の制御
により形成される針状粒子の発達した微構造を有する焼
成品であり、ＡｌＮと同等の高熱伝導率と電気絶縁性,
絶縁耐圧を有し、かつＡｌＮを大きく上回る機械強度
（曲げ強度,破壊靭性値）を具備している。
【００１０】アルミニウムは、熱膨張係数（約23.5×10
−６/Ｋ）が高いけれど、変形抵抗は銅に比べて著しく
小さく柔軟性を帯有する（0.2%耐力= Al：29MPa, Cu: 4
9MPa）。このため、銅層（１３ａ）とセラミックス板
（１１）との間に発生する熱応力を自身の塑性変形能に
より吸収緩和し、層界面の亀裂・剥離を抑制防止する。
また、銅層（１３ａ）に半導体素子をろう接するための
予備処理としてめっきを行なう際にも、アルミニウム層
の場合のような表面処理（ふっ化物処理および亜鉛置換
処理等）を必要とせず、そのまま簡単にめっき処理する
こともできる。
【００１１】図２は、回路基板（１０）の背面側（ヒー
トシンク部材を接合される側）にアルミニウム層（１２
ｂ）を設け、図３はそのアルミニウム層（１２ｂ）に銅
層（１３ｂ）を積層接合した層構成の例をそれぞれ示し
ている。アルミニウム層（１２ｂ）はセラミックス基板
（１１）とヒートシンク部材（２０）との層間の熱応力
緩和層として働き両層間の整合性を高める。またそのア
ルミニウム層(１２ｂ)もアルミニウム層（１２ａ）と同
様にその一部のみをエッチング又はプレス加工等で削除
することにより、熱応力緩和効果を一段と高めることが
できる。銅層（１３ｂ）は、めっき（回路基板10とヒー
トシンク20とをろう接する際に予備処理として行なわれ
るニッケルめっき等）におけるめっき載り性も良好であ
り、アルミニウム層に必要な表面処理（ふっ化物処理お
よび亜鉛置換処理等）を省略することができ、ヒートシ
ンク（２０）とのろう接施工を効率化する。上記アルミ
ニウム層（１２ｂ）の層厚は約0.01〜0.8ｍｍ、銅層
（１３ｂ）の層厚は約0.01〜0.8ｍｍである。
【００１２】回路基板（１０）を構成するセラミックス
板（１１）とアルミニウム層（１２ａ）（１２ｂ）との
接合は、ろう接等によることもできるが、別法として特
開平2001-10874号公報所載の方法が好適に用いられる。
この接合方法（以下「共融結合法」と称する）によれ
ば、セラミックス板（１１）の表面に、Ａｌとの共晶反
応を生じ易く、かつ酸化しにくい金属（ＣｕもしくはＡ
ｇ又はこれらの金属元素を含有する合金）を主成分とす
る被覆膜（膜厚は約0.1-15μｍの範囲が適当）を設け
る。これに、アルミニウム層（１２ａ）（１２ｂ）とな
るアルミニウム系板材を重ね、適宜の荷重をかけて密着
状態としたうえ、非酸化性雰囲気（真空，不活性ガス，
還元性ガス等）で加熱処理する（処理温度：アルミニウ
ム系板材の融点以下）。
【００１３】この加熱処理において、アルミニウム系板
材と被覆層の構成金属とが共晶系であることにより、ア
ルミニウム系板材の酸化被膜を破りながら液相が生成し
共融する。これにより、アルミニウムの融液とセラミッ
クス板とが直接に触れ合い、セラミックス側の原子とア
ルミニウム系板材のＡｌ原子との反応あるいは結合を生
じる。こうして形成されるセラミックス板（１１）とア
ルミニウム層（１２ａ）（１２ｂ）の界面接合は、アル
ミニウムろう材による接合に比し強固（ピーリングテス
ト値で数十kg/cm以上）かつ安定である。しかも、その
接合界面の層は極めて薄く、ろう付けやはんだ接合（界
面にろう材などの比較的厚い層が介在し熱移動の妨げと
なる）と異なって、熱抵抗が少なく放熱特性の向上に有
効である。
【００１４】アルミニウム層（１２ａ）（１２ｂ）に積
層される銅層（１３ａ）（１３ｂ）は各種の方法で形成
することができる。例えば、アルミニウム層の表面に
銅系のめっき層として形成する。この場合、めっき前処
理としてアルミニウム層の表面に薄くＺｎ置換めっき、
又は化学的手法によりＣｕ皮膜を設ける等の前処理を施
して銅系めっき層の密着性をより良好にすることができ
る。アルミニウム層の上に銅系板材を接合する。この
接合はアルミ用はんだ（Cd-Zn-Sn系，Zn-Sn系等）又はM
g-Al系ろう材等が使用される。前記の共融結合法を用
いたセラミックス板-アルミニウム系板材の接合工程に
おいて、アルミニウム系板材に銅系板材を重ね、セラミ
ックス板-アルミニウム系板材の接合と並行してアルミ
ニウム系板材板-銅系板材の接合を行なう。
【００１５】セラミックス板（１１）のおもて面及び／
又は背面側のアルミニウム層と銅層との層間には、好ま
しくは隔壁層（１４ａ）（１４ｂ）が設けられる。図４
は、おもて面側および背面側の各アルミニウム層（１２
ａ）（１２ｂ）と銅層（１３ａ）（１３ｂ）との間に、
隔壁層（１４ａ）（１４ｂ）をそれぞれ設けた層構成の
例を示している。隔壁層（１４ｂ）は、Ａｌと反応しに
くい金属、例えばＮｉ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｐｄ
等の純金属もしくはその合金等を主成分として形成され
ている。隔壁層（１４ａ）（１４ｂ）は、アルミニウム
層と銅層との界面における過剰な液相の生成および脆い
金属間化合物（モジュール製作工程で行なわれる熱処理
で生じ易い）の生成を阻止し、アルミニウム層と銅層と
の界面接合の安定性を高める効果を有する。隔壁層の層
厚は３０μｍ以下であってよい。
【００１６】上記隔壁層（１４ａ）（１４ｂ）は、めっ
き，蒸着，スパッタリング，C.V.D,金属箔の積層等、種
々の手法を用いて形成される。例えば、アルミニウム層
（１２ａ）に隔壁層（１４ａ）となるニッケル箔等をろ
う接したうえ、銅層（１３ａ）を形成する銅系板材との
間に、融点を降下させる金属（例えばAu，Ag等）の層を
めっき，蒸着等により設け加熱処理する方法等により形
成することもできる。
【００１７】また、セラミックス板（１１）にアルミニ
ウム層（１２ａ）となるアルミニウム系板材を前記の共
融結合法で接合する場合は、アルミニウム系板材の上側
面に、隔壁層の主成分（Ni，Fe，Pt，Co，Rh，Pd等）を
含む被膜を形成（めっき，蒸着，スパッタリング，CVD
等）し、これに銅層（１３ａ）となる銅系板材を密着す
るように重ねたうえ、非酸化性雰囲気で加熱処理する方
法を用いることができる。この方法によれば、セラミッ
クス板（１１）とアルミニウム層（１２ａ）、銅層（１
３ａ）およびその中間層である隔壁層（１４ａ）からな
る積層構造が一工程で形成される。セラミックス板（１
１）の背面側におけるアルミニウム層(１２ｂ)-隔壁層
(１４ｂ)-銅層(１３ｂ)の積層構造も上記と同じ手法に
より形成することができ、またセラミックス板(１１)の
表裏両面に対する各層の積層形成を一工程で済ませるこ
とも、むろん可能である。
【００１８】回路基板(１０)を製作するための、セラミ
ックス板(１１)のおもて面側および背面側に対するアル
ミニウム層、隔壁層、銅層などの積層形成は、前記の各
種方法に代え、圧延クラッド材を用いて行なうこともで
きる。
【００１９】上記クラッド材は、「強圧延加工（圧着）
−熱処理(拡散接合)−圧延加工（層厚調整）」の工程に
より製作される。クラッド材の２層あるいは３層の積層
体を製作する場合は、アルミニウム系板材と銅系板材あ
るいは更に隔壁層を挟んで重ね合わせ、強圧延加工を加
えて重ね合わせ面を圧着した後、熱処理を施して界面を
拡散接合し、ついで圧延加工（層厚調整）を適当回数反
復することにより所定の厚さ及び厚さ比に調整されたク
ラッド材を得ることができる。
【００２０】３層構造のクラッド材を製作する場合は、
２段階の工程、すなわち先ず銅系板材に隔壁層を重ね合
わせて、銅層−隔壁層のクラッド材を形成し、ついでこ
れにアルミニウム系板材を重ね合わせて３層構造に仕上
げる工程を採用することも可能である。更に、銅系ある
いはアルミニウム系板材に、めっき,蒸着,スパッタリン
グ,Ｃ.Ｖ.Ｄ等を適用して隔壁層を形成した後にアルミ
ニウム系あるいは銅系板材を重ねて圧延することにより
３層クラッド材とすることもできる。
【００２１】クラッド材として、「アルミニウム層-銅
層」の２層積層体を用い、これをセラミックス板(１１)
のおもて面側に接合すれば、図１に示した積層構造を有
する回路基板(１０)が得られ、セラミックス板(１１)の
おもて面側と背面側とに接合すれば、図３に示した積層
構造を有する回路基板（１０）が得られる。また、「ア
ルミニウム層-隔壁層-銅層」の３層からなるクラッド材
を使用し、セラミックス板(１１)のおもて面側と背面側
とに接合することにより、図４の積層構造を有する回路
基板（１０）を得ることができる。
【００２２】上記クラッド材のセラミックス板(１１)に
対する積層接合は、ろう接又は前述の「共融結合法」を
適用して行なえばよい。このようにクラッド材を使用す
ることにより、セラミックス板(１１)の板面に対する各
層の積層形成工程を大幅に簡素化・効率化することがで
きる。
【００２３】次に、ヒートシンク部材（２０）について
説明する。図５はヒートシンク部材の例を示している。
このヒートシンク部材（２０）は、金属セラミックス複
合層（２１）とその背面側に形成された金属フィン（２
２）とを有している。複合層（２１）は、セラミックス
からなる骨格構造（三次元網目構造体）の網目状空間内
に高熱伝導性金属が充填された構造を有している。
【００２４】複合層（２１）の骨格構造（三次元網目構
造体）を構成するするセラミックスは、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ），窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化アルミニウム（Ａ
ｌＮ），アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等である［熱伝導率(W
/m・K)=ＳｉＣ:180-270,Ｓｉ ３Ｎ４:70,ＡｌＮ:170，Ａ
ｌ２Ｏ３:20、熱膨張率(×10−６/K)=ＳｉＣ:4.5,Ｓｉ
３Ｎ４:3.2,ＡｌＮ:4.5,Ａｌ２Ｏ３:6.7］。殊に、炭化
珪素（SiC）は、高熱伝導性と低熱膨張率とを具備し骨
格構造材料として好適である。
【００２５】セラミックスの網目状空間を満たす高熱伝
導性金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又
は銅合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銀又は
銀合金等である［熱伝導率(W/m・K)=Ａｌ:238,Ｃｕ:394,
Ｍｇ:155，Ａｇ:425、熱膨張係数(×10−６/K)=Ａｌ:2
3.5,Ｃｕ:17,Ｍｇ:26，Ａｇ:19.1］。フィン（２２）は
複合層（２１）の高熱伝導性金属と同一種の金属で形成
されている。
【００２６】図６は、ヒートシンク部材（２０）の他の
例を示している。このヒートシンク部材（２０）は、複
合層（２１）の表面を金属層（２３）で被覆した構成を
有している。金属層（２３）は、複合層（２１）の高熱
伝導性金属と同一種の金属からなる。図５、図６の各ヒ
ートシンク部材(２０)は、複合層（２１）とフィン（２
２）（および金属層２３）との一体成形品である。すな
わち、複合層(２１)とフィン(２２)と金属層(２３)は連
続的一体性を有しており、各層間にはろう接材等の異種
材（層間の熱移動を阻害する要因となる）は介在しな
い。
【００２７】ヒートシンク（２０）の複合層（２１）
は、回路基板との整合性および回路基板の発生熱を効率
良く逃がすための放熱特性を高める観点から、熱膨張係
数:約４×10−６〜９×10−６/Ｋ、熱伝導率:約１８０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。この熱膨張係数と
熱伝導率は、複合層(２１)を構成するセラミックス（骨
格構造体）と高熱伝導性金属との体積比、およびセラミ
ックスと金属の材種の選択・組合せにより任意に調整す
ることができる。
【００２８】ヒートシンク部材(２０)の複合層(２１)
は、所望により、そのおもて面側（回路基板10が接合さ
れる側）から背面（フィン22を有する側）に向かう層厚
方向に、セラミックスと金属との混合比（金属／セラミ
ックス）が漸次増加した傾斜構造を付与される。この傾
斜構造は、ヒートシンク部材（２０）と回路基板(１０)
との層間接合の整合性を高めるのに有効である。
【００２９】なお、一体成形品としてのヒートシンク部
材(２０)は、後記のように、多孔質セラミックス焼結体
（三次元網目構造体）の空隙内に、高熱伝導性金属の溶
湯を含浸させる加圧鋳造法、あるいはセラミックス粉末
と金属粉末とを原料とする焼結処理と焼結体の加工（フ
ィンの成形加工）との組合せ工程により効率良く製作す
ることができる。
【００３０】上記回路基板（１０）とヒートシンク部材
(２０)とを積層接合することによりモジュール基板を得
る。その積層接合は、例えばろう接等を適用して行なわ
れる。ろう接による場合は、ろう接性を高めるための予
備処理として、めっき（ニッケルめっき等）、その他の
表面処理（例えばアルミニウム層12aのふっ化物処理お
よび亜鉛置換処理等）が適宜施される。
【００３１】回路基板（１０）とヒートシンク部材(２
０)の積層接合の別法として、例えば、図１の回路基板
(１０)と、図６のヒートシンク部材(２０)とを組合せて
モジュール基板を構成する場合は、前述したセラミック
ス板(１１)とアルミニウム層(１２ａ)（１２ｂ）との接
合手法である共融結合法を適用することができる。その
接合処理は、回路基板のセラミックス板(１１)の表面
（背面側）に、Ｃｕ,Ａｇ等又はこれを含有する合金を
主成分とする被覆膜（膜厚約0.1-15μｍ）を形成し、こ
れにヒートシンク部材（２０）の複合層（２１）を重ね
密着状態としたうえ、非酸化性雰囲気（真空,不活性ガ
ス,還元性ガス等）で加熱処理（処理温度:アルミニウム
層の融点以下）することにより行なわれる。
【００３２】上記の接合手法（共融結合法）は、図２の
回路基板(１０)と図５のヒートシンク部材(２０)との組
合せてモジュール基板を構成する場合も同様に適用する
ことができる。この場合は、ヒートシンク(２０)の複合
層(２３)の表面に被覆膜（Ｃｕ,Ａｇ等又はその合金を
主成分とする）を設け、これに回路基板(１０)のアルミ
ニウム層（１２ｂ）を重ねて上記と同様の処理を施せば
よい。
【００３３】こうして形成される回路基板（１０）とヒ
ートシンク部材（２０）との積層界面は、ろう材接合に
比し強固かつ安定であり、しかもその接合界面は、ろう
付けやはんだ接合（接合界面に熱移動の障壁となるろう
材等の比較的厚い層が介在する）と異なって非常に薄い
ため、熱抵抗が少なく放熱特性の向上に有効である。
【００３４】回路基板（１０）とヒートシンク部材（２
０）とを積層接合してモジュール基板を得る。図７は、
前記図４の回路基板（１０）と図５のモジュール基板
（２０）とを接合して形成したモジュール基板の例を示
している。その回路基板（１０）に半導体素子（Ａ）を
実装すると共に、回路用金属層の回路とのボンディング
ワイヤ（Ｂ）を設ける工程を経て半導体素子モジュール
を完成する。
【００３５】本発明モジュール基板の製作に使用される
ヒートシンク部材（２０）は、多孔質セラミックス焼結
体（三次元網目構造体）に高熱伝導性金属の溶湯を加圧
含浸する加圧鋳造法により効率よく製作することができ
る。
【００３６】図８は、加圧鋳造（スクイズキャスト等）
によるヒートシンク部材の製作要領の例を示している。
３０は鋳造用金型、Ｓは多孔質セラミックス焼結体であ
り、該多孔質焼結体（Ｓ）は金型のキャビティ（３１）
内に支持ピン（３４）を介して固定されている。３２は
フィン形成空間部、３３は金属層形成空間部である。
【００３７】金型のキャビティ（３１）に金属溶湯を加
圧注入することにより、多孔質焼結体（Ｓ）の空隙に金
属溶湯が含浸されて複合層(２１)が形成され、同時にフ
ィン(２２)、金属層(２３)が形成（鋳造）される。フィ
ン(２２)の形状や金属層(２３)の層厚等は金型キャビテ
ィ（３１）の形状設計により任意に調整される。図９の
ように、多孔質焼結体（Ｓ）として、三次元網目構造の
空隙率(気孔率)を層厚方向（ｓ１〜ｓ５）に漸次変化さ
せた焼結体を使用する場合は、複合層（２１）に層厚方
向の傾斜構造（「金属/セラミックス」比率の漸次変
化）が付与される。加圧鋳造後、金型から取りだし、仕
上げ機械加工を施してヒートシンク部材（２０）を得
る。こうして得られるヒートシンク部材(２０)は、その
製造工程から明らかなように、複合層(２１)とフィン
(２２)および金属層(２３)は、ろう接等の接合構造（層
間にろう材層が介在）と異なって、熱移動の障壁となる
異種材の介在しない完全な連続的一体性を有し、良好な
放熱特性を有する。
【００３８】本発明のモジュール基板のヒートシンク部
材（２０）は、上記加圧鋳造法のほかに、焼結処理と焼
結体の加工処理の組合せにより製作することもできる。
図１０は、放電プラズマ焼結による焼結体の成形工程
(同図ａ)と、超塑性加工によるフィン成形工程(同図ｃ)
を経由してヒートシンク部材を作製する例を示してい
る。同図(ａ)中、４０は導電性金型、４１,４２は電
極、Ｐ２１〜Ｐ２３は金型（４０）に積層充填された粉
末層である。層（Ｐ２１）はセラミックス-金属混合粉
末層（複合層21となる層）、層（Ｐ２２）は金属粉末層
（フィン22となる層）、層（Ｐ２３）は金属粉末層（金
属層23となる層）である。金属粉末層（Ｐ２２）（焼結
工程後、超塑性加工でフィンに成形される）は、超塑性
加工を可能にするために、例えば粉体粒径約50〜1000μ
ｍ、結晶粒径約２μｍ以下の超微細結晶構造を有するＡ
ｌ又はＡｌ合金粉末が使用される。上下のパンチ（４
３）（４４）を介して粉末層に適宜の加圧力を加えパル
ス電流を通電し焼結を行なう。
【００３９】放電プラズマ焼結により同図ｂのように、
複合層(２１)と金属層(２２’)（２３）の３層からなる
焼結体（20’）を得る。ついで、焼結体（20’）を同図
ｃのように、成形型（５０）（フィン形成用空間部５１
を有する）に装填し、金属層（２２’）の液相線
（Tliq）直下（好ましくは、Tliq-10〜-35℃）の温度域
においてパンチ（５２）を介して押圧力（Ｆ）を作用さ
せ圧縮塑性加工（歪み加工速度約１０−２/秒以上）を
行なう。金属層（２２’）は空間部（５１）のキャビテ
ィ形状に沿って超塑性変形しフィン（２２）に成形され
る。超塑性加工によれば、フィン（２２）を、前記加圧
鋳造法では成形困難な薄肉・長寸サイズに成形すること
ができ、ヒートシンク部材の形状設計の自由度が高い。
【００４０】上記放電プラズマ焼結と超塑性加工の工程
により得られるヒートシンク部材(２０)についても、そ
の製造工程から明らかなように、複合層(２１)とフィン
(２２)および金属層(２３)の層間は、ろう接等の接合構
造と異なって熱移動の障壁となる異種材の介在しない完
全な連続的一体性を有し、良好な放熱特性を有する。
【００４１】
【発明の効果】本発明の半導体素子モジュール基板の積
層構造は、層間の接合整合性、放熱特性に優れ、モジュ
ール作製工程における熱応力、実機使用における熱応力
による層間接合構造の損傷を生じにくく接合安定性が高
く、熱放散性に優れ、製造歩留りの向上、半導体素子モ
ジュール機能の安定耐久性の向上に奏効するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】回路基板の層構成の例を示す断面図である。
【図２】回路基板の層構成の他の例を示す断面図であ
る。
【図３】回路基板の層構成の他の例を示す断面図であ
る。
【図４】回路基板の層構成の他の例を示す断面図であ
る。
【図５】ヒートシンク部材の構成例を示す断面図であ
る。
【図６】ヒートシンク部材の他の構成例を示す断面図で
ある。
【図７】本発明のモジュール基板の層構成の例を示す断
面図である。
【図８】ヒートシンク部材の加圧鋳造による製作法の例
を示す断面説明図である。
【図９】加圧鋳造に供されるセラミックス焼結体の傾斜
構造を示す断面説明図である。
【図１０】ヒートシンク部材の放電焼結と超塑性加工に
よる製作工程を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１０:回路基板 １１:セラミックス板 １２ａ,１２ｂ:アルミニウム層 １３ａ,１３ｂ:銅層 １４ａ,１４ｂ:隔壁層 ２０:ヒートシンク部材 ２１:複合層 ２２:フィン ２３:金属層 ３０:加圧鋳造用金型 ３１:キャビティ ３２:フィン形成用空間部 ３３:金属層形成用空間部 ３４:支持ピン Ｓ :多孔質セラミックス焼結体（三次元網目構造体） ４０:放電プラズマ焼結用金型 ４１,４２:電極 ４３,４４:パンチ ５０:塑性加工用金型 ５２:パンチ Ｐ２１: セラミックス-金属の混合粉末層（複合層21形
成層） Ｐ２２: 金属粉末層（フィン22形成層） Ｐ２３: 金属粉末層（金属層23形成層） Ｓ:多孔質セラミックス焼結体 Ａ:半導体素子 Ｂ:ボンディングワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅井 淳 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会社 クボタ本社阪神事務所内 (72)発明者 浅野 壮一 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 岡野 宏昭 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 船越 淳 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 江刺 清行 大阪府東大阪市六万寺町１丁目20番41号 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA23 BB05 BD03 BD13 BD14

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックス板（１１）の半導体素子搭
    載面となる側（おもて面）にアルミニウム又はアルミニ
    ウム合金層（１２ａ）および銅又は銅合金層（１３ａ）
    がこの順に積層形成されている回路基板（１０）と、 セラミックスと高熱伝導性金属との混合体である熱膨張
    率４×10−６〜９×10 −６／Ｋの金属セラミックス複合
    層（２１）、該複合層（２１）の金属と同一種の高熱伝
    導性金属からなるフィン（２２）および複合層のおもて
    面を被覆する金属層（２３）とが一体成形されているヒ
    ートシンク部材（２０）とからなる半導体素子モジュー
    ル基板の積層構造。
  2. 【請求項２】 セラミックス板（１１）の半導体素子搭
    載面となる側（おもて面）にアルミニウム又はアルミニ
    ウム合金層（１２ａ）および銅又は銅合金層（１３ａ）
    がこの順に積層形成され、背面側にアルミニウム又はア
    ルミニウム合金層（１２ｂ）が形成されている回路基板
    （１０）と、セラミックスと高熱伝導性金属との混合体
    である熱膨張率４×10−６〜９×10−６／Ｋの金属セラ
    ミックス複合層（２１）および該複合層の金属と同一種
    の高熱伝導性金属からなるフィン（２２）とが一体成形
    されているヒートシンク部材（２０）とからなる半導体
    素子モジュール基板の積層構造。
  3. 【請求項３】 ヒートシンク部材（２０）は、複合層
    （２１）の表面に複合層の金属と同一種の高熱伝導性金
    属からなる金属層（２３）が形成されている請求項２に
    記載の半導体素子モジュール基板の積層構造。
  4. 【請求項４】 セラミックス板（１１）の背面側のアル
    ミニウム又はアルミニウム合金層（１２ｂ）に銅又は銅
    合金層（１３ｂ）が積層されている請求項２又は３に記
    載の半導体素子モジュール基板の積層構造。
  5. 【請求項５】 セラミックス板（１１）の背面側のアル
    ミニウム又はアルミニウム合金層（１２ｂ）と銅もしく
    は銅合金層（１３ｂ）との間に、過剰な液相の生成及び
    金属間化合物の生成を阻止するための隔壁層（１４ｂ）
    が設けられている請求項４に記載の半導体素子モジュー
    ル基板の積層構造。
  6. 【請求項６】 セラミックス板（１１）のおもて面側の
    アルミニウム又はアルミニウム合金層（１２ａ）と銅も
    しくは銅合金層（１３ａ）との間に、過剰な液相の生成
    および金属間化合物の生成を阻止するための隔壁層（１
    ４ａ）が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に
    記載の半導体素子モジュール基板の積層構造。
  7. 【請求項７】 隔壁層は、ニッケル、鉄、白金、コバル
    ト、ロジウム、パラジウム又はこれらの元素を含む合金
    からなる請求項５又は６に記載の半導体素子モジュール
    基板。
  8. 【請求項８】 セラミックス板（１１）は、窒化アルミ
    ニウム，アルミナ，炭化珪素，窒化珪素，又はベリリア
    からなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体素
    子モジュール基板の積層構造。
  9. 【請求項９】 ヒートシンク部材の複合層（２１）のセ
    ラミックスは、炭化珪素，窒化アルミニウム，窒化珪素
    又はアルミナ、複合層（２１），フィン（２２）及び金
    属層（２３）の高熱伝導性金属は、アルミニウムもしく
    はアルミニウム合金，銅もしくは銅合金層，マグネシウ
    ムもしくはマグネシウム合金、又は銀もしくは銀合金で
    ある請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体素子モ
    ジュール基板の積層構造。
  10. 【請求項１０】 ヒートシンク部材は、複合層（２１）
    を形成するためのセラミックス多孔体を加圧鋳造用金型
    のキャビティ内に設置し、該多孔体の気孔内に高熱伝導
    性金属の溶湯を加圧含浸すると同時にフィン（２２），
    金属層（２３）を鋳造してなる一体成形品である請求項
    １〜９のいずれか１項に記載の半導体素子モジュール基
    板の積層構造。
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