JP7524545B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール基板等の絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板に関する。

絶縁回路基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面に金属層を介してヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が知られている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に回路層が接続されるとともに、他方の面に金属層が接合され、この金属層に接合された放熱板を介してヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が開示されている。また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に複数の小回路層からなる回路層が接合されるとともに、他方の面に一枚の金属層を介して一枚のヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が開示されている。これら特許文献１及び２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板のヒートシンクの形状としては、多数のピン状フィンが設けられたものや、複数の流路が形成されたものが開示されている。

特開２０１６－１８９４２１号公報 特開２０１７－７３４８３号公報

近年、パワーモジュールの高出力化に伴い、上記特許文献１及び２に開示されているヒートシンク付き絶縁回路基板の回路層及び金属層の面積を拡大することが求められている。しかしながら、絶縁回路基板の回路層及び金属層の面積を拡大すると、ヒートシンクも大型化する必要がある。さらに、ヒートシンクを大型化すると、これに取り付けられる部品の大型化を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンクの大型化を抑制できるヒートシンク付き絶縁回路基板を提供することを目的とする。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されてなる絶縁回路基板における金属層とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第１回路層と、前記第１回路層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、厚さ１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の銅又は銅合金からなる第２回路層と、を有し、前記ヒートシンクは、前記金属層との接合面とは反対側の面から突出する複数のフィンを有し、前記回路層及び前記金属層は、平面視で前記ヒートシンクにおける前記複数のフィンが形成されたフィン領域よりも大きく形成され、かつ、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合面の外周端から前記フィン領域の外周端までの前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクとの積層方向に直交する方向の距離が８ｍｍ以下である。

ここで、上記特許文献１及び２に開示されているヒートシンク付き絶縁回路基板のヒートシンクの絶縁回路基板の反対側の面に複数のフィンを設けた構造が知られている。このヒートシンクの反対側の面における複数のフィンが形成された領域（以下、フィン領域という）の面積は、絶縁回路基板の面積よりも大きく形成されるのが一般的である。近年、フィン領域の面積を絶縁回路基板の面積よりも大きくすることが考えられている。しかしながら、絶縁回路基板の回路層及び金属層の面積を、ヒートシンクのフィン領域よりも拡大すると、一般的に絶縁回路基板に形成される１．２ｍｍ程度の厚さの回路層では、剛性が十分でないため、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合時に積層方向に加圧される際にフィン（ヒートシンク）が曲がる可能性がある。この点、回路層を厚くして剛性を高めれば、押圧時にヒートシンクを曲がりにくくすることはできるが、フィン領域の面積が絶縁回路基板の面積に比べてあまりに小さいと、フィン領域の外周端を起点として、絶縁回路基板及びヒートシンクが曲がる場合がある。

これに対し、本発明では、銅又は銅合金からなる第２回路層が１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下と厚いことから、第２回路層の剛性（変形抵抗）が大きく、かつ、金属層とヒートシンクとの接合面の外周端からフィン領域の外周端までの距離が８ｍｍ以下に設定されていることから、絶縁回路基板とヒートシンクとを接合する際に、これらを積層方向に押圧しても絶縁回路基板及びヒートシンクがフィン領域の外周端を起点として曲がることがない。このため、絶縁回路基板の回路層に半導体素子をはんだ付けする場合に、セラミックス基板が割れることを抑制できる。さらに、第２回路層が厚く形成されているので、第２回路層からの放熱が可能となる。このため、絶縁回路基板の回路層及び金属層を拡大しつつ、ヒートシンクの大型化を抑制できる。

本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記金属層は、前記セラミックス基板に接合された第１金属層と、前記第１金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅又は銅合金からなる第２金属層と、を有し、前記第１回路層、前記第１金属層及び前記ヒートシンクは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるとよい。

上記態様では、第１回路層及び第１金属層をセラミックス基板に形成した後、第２回路層、第２金属層及びヒートシンクの接合を固相拡散接合により一度に実行できる。また、第２金属層及びヒートシンクの厚さを調整することで、セラミックス基板の両面の構成を同じとすることができるので、絶縁回路基板の反りを抑制でき、上記セラミックス基板の割れを確実に抑制できる。

本発明によれば、ヒートシンクの大型化を抑制しつつ、絶縁回路基板のセラミックス基板の割れを抑制できる。

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の一部を拡大して示す拡大図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法における第１接合工程を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法における第２接合工程を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法における第２接合工程を説明する断面図である。 上記実施形態におけるパワーモジュールのケースへの取り付け例を示す分解斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［ヒートシンク付き絶縁回路基板の概略構成］
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１は、図１に示すように、絶縁回路基板１０に、複数のフィンが立設されたフィン一体型のヒートシンク２０が接合されたものである。

［パワーモジュールの構成］
そして、このヒートシンク付き絶縁回路基板１の表面に半導体素子３０が搭載されて、パワーモジュール１００が製造される。
なお、フィン一体型のヒートシンク２０を備えるパワーモジュール１００は、例えば図６に示すようなケース４０に取り付けられた状態で使用される。このケース４０は、複数のピン状フィン２５を内部に挿入状態として取り付けるための開口部４１が形成されるとともに、その開口部４１の周囲を囲むようにパッキン収容溝４２が形成されている。そして、パッキン収容溝４２の外側にねじ穴４３が形成されており、ヒートシンク２０をピン状フィン２５が下方を向くように配置することにより開口部４１内に挿入し、開口部４１の周囲にパッキン５０を介して密接させ、ねじ止めにより固定する構成とされる。
図６に示す例では、２個のヒートシンク付き絶縁回路基板１（パワーモジュール１００）が取り付けられるようになっており、白抜き矢印で示すように、ケース４０の内部に冷却媒体が流通して挿入状態のピン状フィン２５を冷却するようになっている。

［絶縁回路基板の構成］
ヒートシンク付き絶縁回路基板を構成する絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に積層された金属層１３とを備える。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により形成され、矩形板状に形成されている。このセラミックス基板１１は、回路層１２及び金属層１３よりも若干大きく形成され、その厚さｗ１は、０．２ｍｍ～１．２ｍｍに設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１よりも若干小さい矩形板状に形成されている。この回路層１２は、図１に示す例では、２つの小回路層により構成され、その上にそれぞれ半導体素子３０が配置されている。なお、回路層１２は、２つの小回路層に限らず、３つ以上の小回路層から構成されてもよいし、１つの回路層からなってもよい。また、以下の説明において、回路層１２の面積とは、２つの小回路層の面積の総和ではなく、回路層１２を平面視で１つの矩形状の層として見た場合における縦寸法×横寸法から求められる面積をいう。
このような回路層１２は、セラミックス基板１１に接合される第１回路層１２１と、第１回路層１２１の上面に接合される第２回路層１２２とを備えている。

これらのうち第１回路層１２１は、純度９９質量％以上の純アルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。一方、第２回路層１２２は、無酸素銅等の銅又はジルコニウム添加銅合金等の銅合金により構成されている。例えば、第１回路層１２１の厚さｗ２は、０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定され、第２回路層１２１の厚さｗ３は、１．５ｍｍ～５．０ｍｍに設定されている。

金属層１３は、セラミックス基板１１よりも若干小さい矩形板状に形成されている。この金属層１３は、セラミックス基板１１に接合される第１金属層１３１と、第１金属層１３１に接合される第２金属層１３２と、を備えている。
これらのうち、第１金属層１３１は、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。一方、第２金属層１３２は、無酸素銅等の純銅又はジルコニウム添加銅合金等の銅合金により構成されている。例えば、第１金属層１３１の厚さｗ４は、０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定され、第２金属層１３２の厚さｗ５は、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に設定されている。

そして、これら回路層１２（第１回路層１２１）及び金属層１３（第１金属層１３１）は、セラミックス基板１１との間に、例えばＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより形成される。また、第２回路層１２２及び第２金属層１３２は、第１回路層１２１及び第１金属層１３１のセラミックス基板１１とは反対側の面に固相拡散接合されることにより形成される。

［ヒートシンクの構成］
この絶縁回路基板１０に接合されるヒートシンク２０は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金からなる板材により形成される。このヒートシンク２０の表面に第１金属層１３１が接合されたセラミックス基板１１を第２金属層１３２を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合される。

例えば、ヒートシンク２０の外径は、平面視で１６０ｍｍ×１２０ｍｍとされ、絶縁回路基板１０（セラミックス基板１１）は、平面視で１４３ｍｍ×８８ｍｍ、回路層１２及び金属層１３は、平面視で１３９ｍｍ×８４ｍｍとされている。これらのうち、回路層１２は、複数の領域に分割されている。また、ヒートシンク２０における複数のピン状フィン２５が形成されたフィン領域Ａｒ１は、１３０ｍｍ×７５ｍｍとされている。すなわち、回路層１２及び金属層１３は、フィン領域Ａｒ１よりも大きく形成されている。なお、ヒートシンク上に絶縁回路基板１０が複数存在していてもよい。

このため、絶縁回路基板１０を接合すると、図２に示すように、フィン領域Ａｒ１の外周端よりも外側に金属層１３の外周端が位置することとなる。この絶縁回路基板１０の回路層１２及び金属層１３の面積をフィン領域Ａｒ１の面積よりも大きく拡大すると、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合時に、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０が曲がるおそれがある。このため、本実施形態では、金属層１３とヒートシンク２０との接合面の外周端からフィン領域Ａｒ１の外周端までの絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との積層方向に直交する方向の距離ｗ６を８ｍｍ以下に設定している。
なお、上記距離ｗ６は、１．０ｍｍ～５．０ｍｍとすることがより好ましい。また、ヒートシンク２０の厚さｈ２は、０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されている。

また、このヒートシンク２０の下面２０１の中央部分には、複数のピン状フィン２５が立設され、このピン状フィン２５の先端位置は水平面上に揃えられ、下面２０１の表面からほぼ等しい立設高さとなるように形成されている。例えば、ピン状フィン２５の高さ寸法ｈ４は、２．０ｍｍ～１０．０ｍｍに設定されている。

なお、このようなヒートシンク２０の外周縁には、例えば図６に示すように、ケース４０等の各種機器への取り付けの際にねじ止めを行うための締結穴２６が形成されている。
また、ヒートシンク２０に立設されるフィンの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のようなピン状フィン２５の他、ひし形フィンや帯板状のフィン等を形成することもできる。

なお、パワーモジュール１００を構成する半導体素子３０は、必ずしも限定されるものではないが、回路層１２（２つの小回路層）の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材３１を用いて接合される。また、半導体素子３０と回路層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（不図示）により接続される。

［ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法］
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板１１に第１回路層用金属板１２１ａ及び第１金属層用金属板１３１ａを接合して、セラミックス基板１１に第１回路層１２１及び第１金属層１３１を形成する第１接合工程と、第１回路層１２１上に第２回路層用金属板１２２ａを接合して第２回路層１２２を形成するとともに、第１金属層１３１とヒートシンク２０とを第２金属層用金属板１３２ａにより接合して、第２金属層１３２を形成する第２接合工程とからなる。以下、この工程順に説明する。

（第１接合工程）
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる２枚の第１回路層用金属板１２１ａ、セラミックス基板１１、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層用金属板１３１ａを、図３に示すように、それぞれＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔１４を介して積層する。そして、積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１の一方の面に第１回路層用金属板１２１ａ、他方の面に第１金属層用金属板１３１ａが接合されて、第１回路層１２１及び第１金属層１３１となる。ろう材箔１４は、加熱により溶融し、第１回路層用金属板１２１ａや第１金属層用金属板１３１ａ中に拡散して、これらをセラミックス基板１１と強固に接合する。

このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａで、６３０℃以上６５５℃以下の加熱温度に２０分以上１２０分以下保持するのが好適である。
なお、本実施形態では、ろう材箔１４を用いることとしたが、これに限らず、ろう材ペーストを用いてもよい。この場合、ろう材ペーストは、セラミックス基板１１に塗布してもよいし、第１回路層用金属板１２１ａ及び第１金属層用金属板１３１ａに塗布してもよい。

（第２接合工程）
そして、図４に示すように、セラミックス基板１１に形成された第１回路層１２１上に銅又は銅合金からなる２枚の第２回路層用金属板１２２ａをそれぞれ積層するとともに、第１金属層１３１とヒートシンク２０との間に、銅又は銅合金からなる第２金属層用金属板１３２ａを配置して積層体を形成する。そして、図５に示すように、真空雰囲気化でこの積層体を積層方向に加圧板６１，６２により挟持して加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、第１回路層１２１上に第２回路層１２２が形成されるとともに、第１金属層１３１上に第２金属層１３２が形成され、この第２金属層１３２とヒートシンク２０とが接合される。

すなわち、第１回路層１２１、第１金属層１３１及びヒートシンク２０がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、第２回路層用金属板１２２ａ及び第２金属層用金属板１３２ａが銅又は銅合金からなるため、これらは固相拡散接合する。このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．５ＭＰａ～２．０ＭＰａで、５００℃～５４０℃の加熱温度に３０分～２４０分保持するのが好適である。
なお、金属層１３の接合面及びヒートシンク２０の接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合されるとよい。

そして、上記製造方法により製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板１の回路層１２の表面に半導体素子３０が搭載され、パワーモジュール１００が製造される。

ここで、絶縁回路基板１０の回路層１２及び金属層１３の面積を、ヒートシンク２０のフィン領域Ａｒ１よりも大きく拡大すると、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合時に積層方向に加圧されることにより、フィン領域Ａｒ１の外周端Ｐ１を起点として、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０が曲がる場合がある。これに対し、本実施形態では、金属層１３とヒートシンク２０との接合面の外周端からフィン領域Ａｒ１の外周端Ｐ１までの絶縁回路基板１０とヒートシンク２０と距離ｗ６を８ｍｍ以下に設定している。このため、第２接合工程において、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０がフィン領域Ａｒ１の外周端Ｐ１を起点として曲がることを抑制している。

これにより、セラミックス基板１１の一方の面に複数の領域に分割された回路層１２（第１回路層１２１及び第２回路層１２２）が形成され、他方の面に金属層１３（第１金属層１３１及び第２金属層１３２）が形成された絶縁回路基板１０が形成されるとともに、ヒートシンク２０が絶縁回路基板１０に接合される。

上記実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１では、銅又は銅合金からなる第２回路層１２２が１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下と厚いことから、第２回路層１２２の剛性（変形抵抗が大きく）、かつ、金属層１３とヒートシンク２０との接合面の外周端からフィン領域Ａｒ１の外周端までの距離ｗ６が８ｍｍ以下に設定されていることから、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に、これらを積層方向に押圧してもフィン領域Ａｒ１の外周端Ｐ１を起点として、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０が曲がることがない。このため、絶縁回路基板１０の回路層１２に半導体素子３０をはんだ付けする際に、セラミックス基板１１が割れることを抑制できる。また、第２回路層１２２が厚く形成されていることから、第２回路層１２２からの放熱が可能となる。このため、絶縁回路基板１０の回路層１２及び金属層１３を拡大しつつ、ヒートシンク２０の大型化を抑制できる。

また、回路層１２が第１回路層１２１及び第２回路層１２２からなり、金属層１３が第１金属層１３１及び第２回路層１３２からなるので、ヒートシンク２０の厚さｈ２及び第２金属層１３２の厚さｗ５を調整することで、セラミックス基板１１の両面に形成された回路層１２と金属層１３との構成を略同じとでき、絶縁回路基板１０が反ることを抑制できる。このため、上記セラミックス基板の割れを確実に抑制できる。さらに、第１回路層１２１及び第１金属層１３１をセラミックス基板１１に形成した後、第２回路層用金属板１２２ａ、第２金属層用金属板１３２ａ及びヒートシンク２０の接合を固相拡散接合により、一度に実行できる。

その他、細部構成は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、第１回路層１２１及び第１金属層１３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることとしたが、これに限らず、第１回路層１２１及び第１金属層１３１は、銅又は銅合金からなることとしてもよい。
また、金属層１３は、第１金属層１３１及び第２金属層１３２からなることとしたが、これに限らず、１つの金属層であってもよい。この場合、金属層１３とヒートシンク２０とを接合する際には、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔を介して接合すればよい。

実施例１～３及び比較例１～３では、１４３ｍｍ×８８ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス基板の上面に、１３９ｍｍ×８４ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの純アルミニウムからなる第１回路層が形成され、第１回路層の上面に１３９ｍｍ×８４ｍｍ、表１に示す厚さの無酸素銅からなる第２回路層が形成されるとともに、セラミックス基板の下面に、１３９ｍｍ×８４ｍｍ、厚さ０．９ｍｍのアルミニウムからなる第１金属層が形成され、第１金属層の下面に１３９ｍｍ×８４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの無酸素銅からなる第２金属層が形成された絶縁回路基板を用いた。
なお、セラミックス基板と第１回路層及び第１金属層との接合は、それぞれＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔をこれらの間に積層して、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力を１．２ＭＰａで、６４５℃の加熱温度で、３０分保持することにより接合した。また、第１金属層と第２金属層との接合、第１回路層と第２回路層との接合、及び、第２金属層とヒートシンクとの接合については、これらを重ねて真空雰囲気中で、積層方向の加圧力を１．２ＭＰａで、５１５℃で１２０分保持することにより、一度に固相拡散接合した。

実施例１～３及び比較例１～３では、ヒートシンクとして、１６０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚さ（ｈ２）０．５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクを用い、実施例１～３及び比較例１～３の試料（図１に示す形状の試料）とした。
これら実施例１～３及び比較例１～３のいずれにおいても、ヒートシンクの絶縁回路基板との接合面とは反対側の面における高さ４．６ｍｍのピン状フィンが複数形成されるフィン領域の面積を１３０ｍｍ×７５ｍｍとした。
そして、上述した実施例１～３及び比較例１～３の各試料について、曲がり評価及び冷熱サイクル信頼性を評価した。

（曲がり評価）
絶縁回路基板とヒートシンクとの接合後において、回路層（第２回路層）の表面を、第２回路層の中心から外端部に向かってレーザー顕微鏡（キーエンス社製ＶＲ５２００）を用い、高さを測定した。この測定結果において、最も高い箇所と、最も低い箇所の差が２μｍ以上あった場合を不可「×」と評価し、それ以外を良好「○」と評価し、その結果を表１に示した。

（冷熱サイクル信頼性）
絶縁回路基板とヒートシンクとの接合後のヒートシンク付き絶縁回路基板に対し、液相冷熱サイクル試験を行った。-４０℃～１５０℃、２０００サイクルの条件で冷熱サイクル試験を行い、試験後のセラミックス基板を目視で観察した。また、セラミックス基板と第１回路層との接合率は、得られた試料について、セラミックス基板と第１回路層とのＡｌ／ＳｉＮ界面の接合率を評価した。この接合率は、接合面の超音波探傷像を二値化処理して、剥離部分を除く接合された面積を求め、これを接合すべき界面の面積（Ａｌの面積）で割った比率とした。
この際、セラミックス基板にクラックが生じているか、もしくは、接合率が８０％以下の場合を不可「×」と評価し、クラックがなく、かつ、接合率が８０％を超えている場合を良好「○」と評価し、その結果を表１に示した。

表１に示すように、実施例１～３は、第２回路層の厚さが１．５ｍｍ～５ｍｍであり、金属層（第２金属層）とヒートシンクとの接合面の外周端からフィン領域の外周端までの距離が８ｍｍ以下であったため、収容凹部の有無にかかわらず、曲がり評価及び冷熱サイクル信頼性の評価のいずれもが良好「〇」であった。

一方、比較例１では、金属層とヒートシンクとの接合面の外周端からフィン領域の外周端までの距離が１０ｍｍと大きいため、曲がりを起点にセラミックス基板が割れたため、曲がり評価及び冷熱サイクル信頼性の評価が不可「×」であった。また、比較例２では、第２回路層の厚さが１ｍｍと小さいことから、第２回路層が曲がって、その曲がりを起点としてセラミックス基板が割れるため、曲がり評価及び冷熱サイクル信頼性の評価のいずれもが不可「×」であった。さらに、比較例３では、第２回路層の厚さが６ｍｍと大きいことから、曲がり評価が良好「〇」であったものの、セラミックスが割れたり、第１回路層の疲労破壊が進んだりすることから、冷熱サイクル信頼性の評価が不可「×」であった。

１ ヒートシンク付き絶縁回路基板
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２１ 第１回路層
１２１ａ 第１回路層用金属板
１２２ 第２回路層
１２２ａ 第２回路層用金属板
１３ 金属層
１３１ 第１金属層
１３１ａ 第１金属層用金属板
１３２ 第２金属層
１３２ａ 第２金属層用金属板
２０ ヒートシンク
２０１ 下面
２５ ピン状フィン（フィン）
２６ 締結穴
３０ 半導体素子
４０ ケース
４１ 開口部
４２ パッキン収容溝
４３ ねじ穴
５０ パッキン
６１，６２ 加圧板
１００ パワーモジュール
Ａｒ１ フィン領域

Claims (2)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されてなる絶縁回路基板における金属層とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第１回路層と、前記第１回路層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、厚さ１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の銅又は銅合金からなる第２回路層と、を有し、前記ヒートシンクは、板材と、該板材の前記金属層との接合面とは反対側の面から突出する複数のフィンとを有し、前記回路層及び前記金属層は、平面視で前記ヒートシンクよりも小さく、かつ、前記ヒートシンクにおける前記複数のフィンが形成されたフィン領域よりも大きく形成され、かつ、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合面の外周端から前記フィン領域の外周端までの前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクとの積層方向に直交する方向の距離が８ｍｍ以下であり、
   前記金属層は、前記セラミックス基板に接合された第１金属層と、前記第１金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅又は銅合金からなる第２金属層と、を有し、
   前記第１回路層、前記第１金属層及び前記ヒートシンクは、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ヒートシンク付き絶縁回路基板。
2. 前記セラミックス基板の厚さは０．２ｍｍ以上１．２ｍｍ以下、前記第１回路層の厚さは０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、第１金属層の厚さは０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、第２金属層の厚さは０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、前記ヒートシンクの前記板材の厚さは０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。

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