パワーモジュール構造体及びその製造方法
【課題】セラミックス回路基板と金属ベース板の放熱性が高く信頼性に優れた、安価なパワーモジュール構造体と、その製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス回路基板１の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板２の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板３の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板２の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板１と金属ベース板３との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体。
【解決手段】セラミックス回路基板１の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板２の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板３の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板２の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板１と金属ベース板３との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱材及びその製造方法に係わり、詳しくはパワーモジュール用の放熱用基板として好適な放熱材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。そして、高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス回路基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなるセラミックス回路基板が、パワーモジュール用回路基板として使用されている。
【０００３】
従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板の裏面（放熱面）の金属板、例えば銅板を介してベース板がはんだ付けされてなるものであり、ベース板としては銅が一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかった場合、ベース板と回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックがはんだ層に発生し、その結果放熱が不十分となって半導体素子を誤作動させたり、破損させたりするという課題があった。
【０００４】
そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近づけたベース板として、アルミニウム−炭化珪素質複合体が提案されている。このベース板用のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製法としては、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する溶湯鍛造法（特許文献１）、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を非加圧で浸透させる非加圧含浸法（特許文献２）が実用化されている。一方、コスト面からは、アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を混合して、加熱成形する粉末冶金法が有利であり、同製法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体の検討も行われている（特許文献３，４）。しかし、いずれの製法のアルミニウム−炭化珪素質複合体でもコスト面に問題があることから、低コスト化が要求される分野では安価な銅ベース板が使用される場合が多くなり、セラミックス回路基板と銅ベース板間の信頼性に課題があった。
【特許文献１】特許第３４６８３５８号
【特許文献２】特表平５−５０７０３０号公報。
【特許文献３】特開平９−１５７７７３号公報
【特許文献４】特開平１０−３３５５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ベース板に用いられる銅やアルミニウムなどの金属は熱膨張係数が１７〜２３×１０−６／Ｋ程度と大きく、熱膨張係数が５×１０−６／Ｋ程度のセラミックス回路基板との熱膨張係数差が大きいため、接合層のはんだ層にはんだクラックが発生する。
【０００６】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール構造体として、セラミックス回路基板と銅ベース板との間の熱膨張係数を有する応力緩和板を搭載することによって、熱膨張係数差によって発生する応力を緩和し信頼性の向上が達成できる応力緩和板及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨
張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体を提案したものである。
【０００８】
また、本発明においては、応力緩和板が、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を複合化した板状の金属含浸セラミックス基板、又はＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｏ及びＦｅから選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板であるパワーモジュール構造体であることが好ましい。
【０００９】
更に、本発明は、応力緩和板が下記の（１）〜（４）のいずれかの工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に、０．５〜２０μｍの厚みのＮｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上の金属をめっきにより形成してなるパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法である。
（１）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％のブロック状の多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で複合化し、ブロック状の金属含浸セラミックス体を切断加工及び又は形状加工して板状の金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（２）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％の板状の多孔体、又は粉末成形体を離型板を介して積層し、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で含浸し板状の金属含浸セラミックス体を作製した後、形状加工して金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（３）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスしてブロック状に複合化し、切断加工及び又は外周加工により板状の金属含浸セラミックス基板を得る工程。
（４）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスして板状の金属含浸セラミックス基板に複合化する工程。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、応力緩和板に用いるセラミックス粉末の粒度、種類、含有量を適正化することにより、また、金属成分の適正化により、得られる応力緩和板をセラミックス回路基板と銅ベース板の間の熱膨張係数に制御することができるため、セラミックス回路基板側及び銅ベース板側の両方に対して良好なマッチングがとれ、信頼性を著しく向上したパワーモジュール構造体を提供できる。
【００１１】
更に、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上なのでセラミックス回路基板からの熱を銅ベース板に良好に伝えることができ、パワーモジュール構造体として好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明のパワーモジュール構造体の一例を示した説明図である。
【図２】図２は本発明の金属含浸セラミックス体の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の、パワーモジュール構造体に用いる応力緩和板は、板厚が０．５〜３．０ｍｍｔ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍで、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である。該応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしたパワーモジュール構造体であるので、セラミックス回路基板からの熱をベース板に良好に伝えることができ、かつ高信頼性を有するパワーモジュール構造体が実現できる。
【００１４】
応力緩和板の板厚が０．５ｍｍ未満であると、応力緩和層が薄すぎて応力を緩和できずに信頼性が低下してしまう。一方、３．０ｍｍを越えると応力緩和板の熱抵抗が大きくなる。
【００１５】
応力緩和板の温度２５℃の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは２００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であり、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さいと、セラミックス回路基板からの熱を金属ベース板に十分に伝えられずに、半導体が誤作動を起こしたり損傷したりする場合がある。
【００１６】
また、セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有することが好ましく、熱膨張係数がセラミックス回路基板と金属ベース板の間の応力緩和板を用いることで、高信頼性が実現できる。
応力緩和板の熱膨張係数が上記の範囲外の場合、半導体素子作動時の熱負荷により、接合層（はんだ層等）やセラミックス回路基板の破壊が起こり、放熱特性が低下する場合がある。また、応力緩和板が金属含浸セラミックス体からなる場合、熱伝導率と熱膨張係数は、複合化する金属の含浸率、セラミックスの材質によって増減させることができる。
【００１７】
応力緩和板の３点曲げ強度は５０ＭＰａ以上が好ましい。パワーモジュール用の放熱部品として用いる場合、３点曲げ強度が５０ＭＰａ未満では使用時の振動等の影響による欠けの問題があり好ましくない。３点曲げ強度の上限に関しては、特性状の制約はないが、３点曲げ強度を極端に向上させるためには、炭化珪素の添加量の増加及び微粉化が必要となり、その結果、得られる金属含浸セラミックス体の熱伝導率が低下するため、３５０ＭＰa以下であることが好ましい。
【００１８】
金属含浸セラミックス体からなる応力緩和板は、セラミックス粉末１種類以上を４０〜９０体積％含有し、残部（１０〜６０体積％）がアルミニウム又はアルミニウム合金、好ましくはアルミニウム含有率が８０〜１００質量％のアルミニウム−シリコン合金を複合化したものであることが好ましい。
セラミックスとアルミニウム又はアルミニウム合金の複合化の方法としては、例えば特許３４６８３５８号の実施例等の方法によって含浸される、溶湯鍛造法により製造されたものであることが好ましい。
【００１９】
また、上記溶湯鍛造法の代わりに、セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金粉末の混合粉末を離型処理した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱後にプレスして複合化する方法によって製造されたものでも使用できる。
【００２０】
セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金の複合化に必要な圧力は、３０ＭＰａ以上が好ましい。加熱プレス成形時の圧力が、３０ＭＰａ未満では、セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金の密着性が不足して、熱伝導率、強度等の特性が低下するため好ましくない。また、プレス圧の上限については、特性面からの制約はないが、金型の強度、装置の力量より、２００ＭＰａ以下が適当である。金属含浸セラミックス体は、融点以下の温度で減圧した後、室温まで冷却する。なお、複合化時の歪み除去の目的で、金属含浸セラミックス体のアニール処理を行うこともある。
【００２１】
セラミックス粉末の材質は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれた無機成分の少なくとも１種であることが好ましい。セラミックスの充填量は４０〜９０体積％、特に５０〜８０体積％であることが好ましい。セラミックスの充填量が４０体積％未満であると、金属含浸セラミックス体の熱膨張係数が大きくなりすぎる。一方、９０体積％を越えると、金属を十分に含浸させることができずに、熱伝導率が小さくなりすぎる恐れがある。また、セラミックスの充填状態は特に制限はなく、セラミックス多孔体、又はセラミックス粉末成形体を用いることができる。セラミックスの充填量の調整はセラミックス成分の粒度調整、整形圧力、焼結条件などによって行うことができる。
【００２２】
また、セラミックスと複合化する金属成分は、アルミニウム８０〜１００質量％、珪素０〜２０質量％を含有するアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。珪素成分が２０質量％を超えると合金の融点が高くなり、未含浸部分が発生する場合がある。一方、珪素成分が２０質量％を超えると、得られる合金の熱伝導率が低下し、その結果、得られる金属含浸セラミックス基板の熱伝導率が低下し好ましくない。珪素成分以外の成分としては特性に影響を与えない範囲であれば、特に制限はないが、マグネシウムは、得られる合金とセラミックスの濡れ性を向上させる効果があり、３質量％以内であれば、強度や熱伝導特性に悪影響を与える炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑制できるため含有してもよい。
【００２３】
セラミックス粉末成形体は、セラミックス成分の粉末のみを成形して製造することもできるし、例えば、シリカゾル、アルミナゾル等の無機バインダーと共に用いて製造することもできる。成形には、プレス成形、鋳込み成形等の一般的なセラミックス粉末の成形方法が採用される。また、セラミックス多孔体は、例えば、上記セラミックス粉末成形体を焼結処理することによって製造することができる。セラミックス多孔体とセラミックス粉末成形体の形状には制約はなく、平板状、円柱状などで用いられる。
【００２４】
金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体から金属含浸セラミックス基板にするには、通常、切断加工と面加工が施される。金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体の形状が直方体形状である場合、平面研削板によりダイヤモンド砥石を用いて所定寸法に外形加工した後、マルチワイヤソー、内周刃切断機等で最終形状より０．１〜０．５ｍｍ程度厚い板厚に切断加工するのがよい。切断方法には限定はないが、切断代が少なく量産性に適したマルチワイヤソーが好適である。マルチワイヤソーの切断では、遊離砥粒タイプ及びダイヤモンド等の研削材を付着したワイヤーが用いられる。面加工では、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機を用い、板厚が０．５〜３ｍｍに加工される。
【００２５】
金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体の形状が板状である場合は、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機を用い、板厚が０．５〜３ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）が１．０μｍ以下に面加工をし、次いでウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行う。この場合、外周加工を先に行ってから面加工をしてもよい。
【００２６】
一方、金属からなる応力緩和板は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）から選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板から構成されていることが好ましい。その形状は、平板状、円柱状などが用いられる。
【００２７】
金属含浸セラミックス基板又は金属基板のいずれの応力緩和板にあっても、その表面に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ及びＳｎから選ばれた少なくとも１種の金属による、特に好ましくはＮｉ又はＡｕによる、厚みが０．５〜２０μｍの金属層を有していることが好ましい。特に好ましい金属層の厚みは２〜１０μｍである。これによって、セラミックス回路基板、応力緩和板及び金属ベース板の接着状態が良好になる。金属層の厚みが０．５μｍ未満であると、接着状態が悪くなり、２０μｍをこえると、金属層と応力緩和板との熱膨張差による剥離が生じる恐れがある。金属層は、応力緩和板を洗浄後、上記金属種による無電解めっき又は電解めっきを施すことによって形成させることができる。また、金属蒸着法や金属被覆法によっても形成させることができる。
【００２８】
セラミックス回路基板、応力緩和板及び金属ベース板との接合は、はんだ付けまたはロウ付けを用いて行われる。はんだとしてはクリームはんだ、共晶はんだ、鉛フリーはんだなどを用いてもよい。好ましくはロウ付け法による接合が好ましく、接合層が薄く均一にできるため熱抵抗を小さくできる。
【実施例】
【００２９】
［実施例１］
炭化珪素粉末Ａ（市販品：平均粒子径１５０μｍ）３２５０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（市販品：
平均粒子径１０μｍ）１７５０ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）７５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍの寸法の形状に面圧１０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１０００℃で２時間焼成して、気孔率が３５％の焼結体を製造し、平面研削盤を用いて、外形寸法が、５６ｍｍ×４７ｍｍ×１００ｍｍ
の形状に加工してＳｉＣ多孔体を製造した。得られたＳｉＣ多孔体に窒化硼素の離型剤を塗布してから、筒状黒鉛治具（外寸法：８０ｍｍ×８０ｍｍ×１００ｍｍ、内寸法：５６．５ｍｍ×４７．５×１００ｍｍ）に挿入して構造体とした。
【００３０】
黒鉛離型剤の塗布されたステンレス板からなる離型板（８０ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍ）を挟んで上記構造体の４個を組み立て（１６０．８ｍｍ×１６０．８ｍｍ×１００ｍｍ）、両側に鉄板（厚み１２ｍｍ）を配置し、ボルト８本で連結して一つの積層体とした。
この積層体を電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいたプレス金型（内径４００ｍｍ×高さ３００ｍｍ）内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度８００℃）を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断して離型板を剥がし、旋盤で黒鉛治具部分を除去して４個の複合体（５６×４７×１００ｍｍ）を製造した。これを５３０℃の温度で３時間アニール処理して含浸時の歪みを除去した。
【００３１】
得られた複合体から、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径４ｍｍ長さ２０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、強度測定用試験体（４０ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍ）を切り出し、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で、３点曲げ強度を曲げ強度試験機（今田製作所製；ＳＶ３０１）で測定した。その結果、熱膨張係数は７．５×１０−６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度４００ＭＰａであった。
【００３２】
ついで、複合体を５４ｍｍ×４５ｍｍ×１００ｍｍの形状に外周加工を行ってから、マルチワイヤソーでダイヤモンド砥粒を用い、切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚１．５ｍｍの板状に切断加工し、更に両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚１．２ｍｍに研削加工した。その後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、板厚１．０ｍｍまで研磨加工をしてから、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行い、金属層（６μｍ厚）を形成し応力緩和板Ａを製造した。
＜パワーモジュール構造体＞
以下の構成材料を用い、図１に示されるパワーモジュール構造体を作製した。すなわち、セラミックス回路基板１と金属ベース板３との間に接合層４を介して応力緩和板２を積層してパワーモジュール構造体を作製した。
【００３３】
＜構成材料＞
セラミックス回路基板１：窒化珪素基板：５８ｍｍ×４９ｍｍ×０．６３５ｍｍ
（銅回路：５４ｍｍ×４５ｍｍ×０．２ｍｍ）
応力緩和板２：上記で製造された応力緩和板Ａ：５４ｍｍ×４５ｍｍ×１．０ｍｍ
ベース板３：銅板：１００ｍｍ×８０ｍｍ×４ｍｍ
接合層４：クリームはんだ（０．２ｍｍ厚み）
【００３４】
＜パワーモジュール構造体の信頼性の評価＞
パワーモジュール構造体を−４０℃と１２５℃の恒温槽に３０分間保持しヒートサイクル処理（１０００回）を行った後に、外観及び接合状態を超音波探傷により確認したところ、接合層の剥離等の問題箇所は確認されなかった。
【００３５】
［実施例２］
炭化珪素粉末Ａ（市販品：平均粒子径１５０μｍ）３２５０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（市販品：平均粒子径１０μｍ）１７５０ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）７５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍの寸法の板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１０００℃で２時間焼成して、気孔率が３５％の焼結体を製造し、平面研削盤を用いて、外形寸法が、５６ｍｍ×４７ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工してＳｉＣ多孔体を製造した。得られたＳｉＣ多孔体をスライサーとラップ研削盤により、外形寸法が５６ｍｍ×４７×２ｍｍの形状に加工した。
【００３６】
外形寸法が５６ｍｍ×４７×２ｍｍのセラミックス多孔体の３２枚を４枚毎に黒鉛離型剤が塗布された離型板（１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．８ｍｍ）を挟んで積層し、特性評価用として５６×４７×５ｍｍの４枚も一緒に挟んで構造体となし（１７０ｍｍ×１７０ｍｍ×３０ｍｍ）、両側に鉄板（板厚１２ｍｍ）を配置して、ボルト８本で連結して一つの積層体とした。以下、実施例１の応力緩和板Ａと同様にして複合体（５６ｍｍ×４７ｍｍ×２ｍｍ）を製造し、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、それぞれ、７．５×１０−６／Ｋ、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、４００ＭＰａであった。
【００３７】
得られた複合体を、平面研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、板厚１．０ｍｍの板状に面加工した後、続いて、ウォータージェット加工機（スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタＮＣ）により、圧力２５０ＭＰａ、加工速度１００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、研磨砥粒として粒度１００μｍのガーネットを使用して、５４ｍｍ×４５ｍｍ×１．０ｍｍの形状に切断加工した。その後、上記応力緩和板Ａと同様な金属層を施して応力緩和板Ｂとし、その後、得られた応力緩和板Ｂを実施例１のセラミックス回路基板、金属ベース板と同様の手法を用いて接合し、パワーモジュール構造体を製造し実施例１と同様の信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等の問題は確認されなかった。
【００３８】
［実施例３、４］
炭化珪素粉末Ｃ（市販品：平均粒子径１０μｍ）８１８ｇの粉末（実施例３）、又は黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２４５ｇと炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）３５８ｇの混合粉末（実施例４）を、筒状黒鉛治具（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）に充填し、プレス成形して気孔率が４８％（実施例３）又は気孔率が３５％（実施例４）の粉末成形体を製造した。この粉末成形体を治具に充填した状態で実施例１と同様の手法を用いて積層体とし、複合体を製造した。それらを用い、セラミックス回路基板として窒化アルミニウム基板：６１ｍｍ×５４ｍｍ×０．６３５ｍｍ（Ｃｕ回路：５９ｍｍ×５２ｍｍ×０．２ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１の応力緩和板Ａの場合と同様にして応力緩和板Ｃ：５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ（実施例３）、応力緩和板Ｄ：５９ｍｍ×５２ｍｍ×２．０ｍｍ（実施例４）の製造、パワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等は確認されなかった。
また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｃの熱膨張係数１１．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は５１０ＭＰａ、応力緩和板Ｄの熱膨張係数は８．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１１０ＭＰａであった。
【００３９】
［実施例５〜１１、比較例１］
（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ）のめっき層のかわりに、表２に示す金属種と金属層厚みを有する金属層を形成、及び板厚を変えたこと、接合方法を変えたこと以外は、実施例１の応力緩和板Ａを用いたのと同様にして応力緩和板及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、実施例５〜１１では接合層の剥離等の問題は確認されなかったが、比較例１では応力緩和板の割れが確認された。
【００４０】
［実施例１２〜１４、比較例２、３］
セラミックス多孔体として等方性黒鉛成形体Ａ（市販品、気孔率：２２体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１２）、等方性黒鉛成形体Ｂ（市販品、気孔率：２１体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１３）、等方性黒鉛成形体Ｃ（市販品、気孔率：４０体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１４）、押出黒鉛成形体Ａ（市販品、気孔率：２０体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（比較例２）、等方性黒鉛成形体Ｄ（市販品、気孔率：１８体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（比較例３）、アルミニウム合金の代わりに純Ａｌを用いたこと以外は実施例１と同様の手法で複合体を製造し、形状加工を５９ｍｍ×５２ｍｍ×２．０ｍｍ施した。その後、セラミックス回路基板として実施例３で用いた窒化アルミニウム基板を使用したこと、ベース板にアルミニウム板（１００ｍｍ×８０ｍｍ×４ｍｍ）を用いた（実施例１４）こと以外は、応力緩和板Ａの製造に準じて応力緩和板Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｚ、ＡＡ及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、実施例１２〜１４では接合層の剥離等の問題は確認されなかったが、比較例２では応力緩和板の割れが確認され、比較例３では、はんだ接合層の剥離（はんだクラック）が確認された。
【００４１】
また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｌの熱膨張係数は９．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、強度は１０５ＭＰａ、応力緩和板Ｍの熱膨張係数は８．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は６５ＭＰａ、応力緩和板Ｎの熱膨張係数は１３．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は７５ＭＰａ、応力緩和板Ｚの熱膨張係数は７．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は２５ＭＰａで、応力緩和板ＡＡの熱膨張係数は５．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は８０ＭＰａあった。
【００４２】
［実施例１５］
窒化アルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２μｍ）２３００ｇ、イットリア粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）９６ｇ、成形バインダー（メチルセルロース）１２０ｇ、及び純水１２０ｇの混合粉末を、面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、更に成形圧力５０ＭＰａでＣＩＰ成形して円柱体（直径１１０ｍｍ×１１０ｍｍ）を製造した。これを、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７８０℃で４時間焼成して焼結体を製造した後、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、気孔率が３０％の無機多孔体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。
【００４３】
実施例１２と同様の手法にてこの無機多孔体を複合化したこと以外は、実施例１２の応力緩和板Ｌと同様にして応力緩和板Ｏ（５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｏの熱膨張係数は７．６×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は３６０ＭＰａであった。
【００４４】
［実施例１６］
窒化珪素粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）２７６０ｇ、イットリア粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）１５０ｇ、及び酸化マグネシウム粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）９０ｇの混合物を用いたこと以外は、実施例１５と同様にして円柱体（直径１１０ｍｍ×１１０ｍｍ）を製造した。これを、０．０１ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１６００℃で４時間焼成して焼結体を製造した後、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、気孔率が２２％の無機多孔体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。
【００４５】
実施例１２と同様の手法にてこのセラミックス多孔体を複合化したこと以外は、実施例１２の応力緩和板Ｌと同様にして応力緩和板Ｐ（５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｐの熱膨張係数は７．３×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は５２０ＭＰａであった。
【００４６】
［実施例１７］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）３７７ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）５５０ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）３４３ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）４７ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し、筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に混合粉末２６ｇと黒鉛の離型処理を施した０．８ｍｍｔの離型板（ＳＵＳ板）を交互に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を７０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍ）を製造した。この複合体を実施例２の複合体と同様の手法で形状加工を行い、応力緩和板Ｑ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造した。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｑの熱膨張係数は１０．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１００ＭＰａであった。
【００４７】
この応力緩和板Ｑを使用したことと、セラミックス回路基板として窒化アルミニウム基板：６１×５４×０．６３５ｍｍｔ（Ａｌ回路：５７×５０×０．２ｍｍｔ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００４８】
［実施例１８］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２９６ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）４３３ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）５１５ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）７０ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を５５体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板Ｒ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造し、実施例１７と同様の手法にてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｒの熱膨張係数は１１．９×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１３０ＭＰａであった。
【００４９】
［実施例１９］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２１６ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）３１５ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）６８７ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）９４ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を４０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板Ｓ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造し、実施例１７と同様のセラミックス回路基板、実施例１４と同様のベース板を使用してパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｓの線膨張係数は１４．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１４０ＭＰａであった。
【００５０】
［比較例４］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）１６２ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）２３６ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）８０２ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）１０９ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を３０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１８と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板ＡＢ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分にはんだ接合部分の剥離（はんだクラック）が確認された。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｑの熱膨張係数は１７．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１３５ＭＰａであった。
【００５１】
［実施例２０〜２２］
温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数が８．５×１０−６／Ｋで、温度２５℃での熱伝導率が２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である、銅−タングステン（組成（質量％）：Ｃｕ／Ｗ＝２０／８０）からなる金属板の板厚を表２のように変更した金属基板からなる応力緩和板を種々用意した。これらの応力緩和板を用いたこと以外は、実施例１７の応力緩和板Ｑと同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００５２】
［実施例２３、２４］
Ｃｕ／Ｗからなる金属板の代わりに、温度２５℃の熱伝導率が２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ)である銅−モリブデン（組成（質量％）：Ｃｕ／Ｍｏ＝５０／５０）の金属基板（実施例２３）を、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ)である、銅−モリブデン−銅（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ）の３層積層板（各層の厚みは０．２ｍｍの金属基板（実施例２４）を応力緩和板として用いたこと以外は、実施例１７と同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００５３】
実施例・比較例の主要条件と結果を表１〜３に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【符号の説明】
【００５７】
１．セラミックス回路基板
２．応力緩和板
３．金属ベース板
４．金属回路
５．接合層
６．金属
７．セラミックス粉末
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱材及びその製造方法に係わり、詳しくはパワーモジュール用の放熱用基板として好適な放熱材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体素子の高集積化、小型化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに効率よく放熱させるかが課題となっている。そして、高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス回路基板の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成されてなるセラミックス回路基板が、パワーモジュール用回路基板として使用されている。
【０００３】
従来の回路基板の典型的な放熱構造は、回路基板の裏面（放熱面）の金属板、例えば銅板を介してベース板がはんだ付けされてなるものであり、ベース板としては銅が一般的であった。しかしながら、この構造においては、半導体装置に熱負荷がかかった場合、ベース板と回路基板の熱膨張係数差に起因するクラックがはんだ層に発生し、その結果放熱が不十分となって半導体素子を誤作動させたり、破損させたりするという課題があった。
【０００４】
そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近づけたベース板として、アルミニウム−炭化珪素質複合体が提案されている。このベース板用のアルミニウム−炭化珪素質複合体の製法としては、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する溶湯鍛造法（特許文献１）、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金の溶湯を非加圧で浸透させる非加圧含浸法（特許文献２）が実用化されている。一方、コスト面からは、アルミニウム粉末と炭化珪素粉末を混合して、加熱成形する粉末冶金法が有利であり、同製法によるアルミニウム−炭化珪素質複合体の検討も行われている（特許文献３，４）。しかし、いずれの製法のアルミニウム−炭化珪素質複合体でもコスト面に問題があることから、低コスト化が要求される分野では安価な銅ベース板が使用される場合が多くなり、セラミックス回路基板と銅ベース板間の信頼性に課題があった。
【特許文献１】特許第３４６８３５８号
【特許文献２】特表平５−５０７０３０号公報。
【特許文献３】特開平９−１５７７７３号公報
【特許文献４】特開平１０−３３５５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ベース板に用いられる銅やアルミニウムなどの金属は熱膨張係数が１７〜２３×１０−６／Ｋ程度と大きく、熱膨張係数が５×１０−６／Ｋ程度のセラミックス回路基板との熱膨張係数差が大きいため、接合層のはんだ層にはんだクラックが発生する。
【０００６】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール構造体として、セラミックス回路基板と銅ベース板との間の熱膨張係数を有する応力緩和板を搭載することによって、熱膨張係数差によって発生する応力を緩和し信頼性の向上が達成できる応力緩和板及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨
張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体を提案したものである。
【０００８】
また、本発明においては、応力緩和板が、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を複合化した板状の金属含浸セラミックス基板、又はＣｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｏ及びＦｅから選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板であるパワーモジュール構造体であることが好ましい。
【０００９】
更に、本発明は、応力緩和板が下記の（１）〜（４）のいずれかの工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に、０．５〜２０μｍの厚みのＮｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上の金属をめっきにより形成してなるパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法である。
（１）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％のブロック状の多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で複合化し、ブロック状の金属含浸セラミックス体を切断加工及び又は形状加工して板状の金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（２）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％の板状の多孔体、又は粉末成形体を離型板を介して積層し、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で含浸し板状の金属含浸セラミックス体を作製した後、形状加工して金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（３）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスしてブロック状に複合化し、切断加工及び又は外周加工により板状の金属含浸セラミックス基板を得る工程。
（４）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスして板状の金属含浸セラミックス基板に複合化する工程。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、応力緩和板に用いるセラミックス粉末の粒度、種類、含有量を適正化することにより、また、金属成分の適正化により、得られる応力緩和板をセラミックス回路基板と銅ベース板の間の熱膨張係数に制御することができるため、セラミックス回路基板側及び銅ベース板側の両方に対して良好なマッチングがとれ、信頼性を著しく向上したパワーモジュール構造体を提供できる。
【００１１】
更に、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上なのでセラミックス回路基板からの熱を銅ベース板に良好に伝えることができ、パワーモジュール構造体として好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明のパワーモジュール構造体の一例を示した説明図である。
【図２】図２は本発明の金属含浸セラミックス体の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の、パワーモジュール構造体に用いる応力緩和板は、板厚が０．５〜３．０ｍｍｔ、好ましくは０．５〜２．０ｍｍで、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である。該応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしたパワーモジュール構造体であるので、セラミックス回路基板からの熱をベース板に良好に伝えることができ、かつ高信頼性を有するパワーモジュール構造体が実現できる。
【００１４】
応力緩和板の板厚が０．５ｍｍ未満であると、応力緩和層が薄すぎて応力を緩和できずに信頼性が低下してしまう。一方、３．０ｍｍを越えると応力緩和板の熱抵抗が大きくなる。
【００１５】
応力緩和板の温度２５℃の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは２００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上であり、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さいと、セラミックス回路基板からの熱を金属ベース板に十分に伝えられずに、半導体が誤作動を起こしたり損傷したりする場合がある。
【００１６】
また、セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有することが好ましく、熱膨張係数がセラミックス回路基板と金属ベース板の間の応力緩和板を用いることで、高信頼性が実現できる。
応力緩和板の熱膨張係数が上記の範囲外の場合、半導体素子作動時の熱負荷により、接合層（はんだ層等）やセラミックス回路基板の破壊が起こり、放熱特性が低下する場合がある。また、応力緩和板が金属含浸セラミックス体からなる場合、熱伝導率と熱膨張係数は、複合化する金属の含浸率、セラミックスの材質によって増減させることができる。
【００１７】
応力緩和板の３点曲げ強度は５０ＭＰａ以上が好ましい。パワーモジュール用の放熱部品として用いる場合、３点曲げ強度が５０ＭＰａ未満では使用時の振動等の影響による欠けの問題があり好ましくない。３点曲げ強度の上限に関しては、特性状の制約はないが、３点曲げ強度を極端に向上させるためには、炭化珪素の添加量の増加及び微粉化が必要となり、その結果、得られる金属含浸セラミックス体の熱伝導率が低下するため、３５０ＭＰa以下であることが好ましい。
【００１８】
金属含浸セラミックス体からなる応力緩和板は、セラミックス粉末１種類以上を４０〜９０体積％含有し、残部（１０〜６０体積％）がアルミニウム又はアルミニウム合金、好ましくはアルミニウム含有率が８０〜１００質量％のアルミニウム−シリコン合金を複合化したものであることが好ましい。
セラミックスとアルミニウム又はアルミニウム合金の複合化の方法としては、例えば特許３４６８３５８号の実施例等の方法によって含浸される、溶湯鍛造法により製造されたものであることが好ましい。
【００１９】
また、上記溶湯鍛造法の代わりに、セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金粉末の混合粉末を離型処理した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱後にプレスして複合化する方法によって製造されたものでも使用できる。
【００２０】
セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金の複合化に必要な圧力は、３０ＭＰａ以上が好ましい。加熱プレス成形時の圧力が、３０ＭＰａ未満では、セラミックス粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金の密着性が不足して、熱伝導率、強度等の特性が低下するため好ましくない。また、プレス圧の上限については、特性面からの制約はないが、金型の強度、装置の力量より、２００ＭＰａ以下が適当である。金属含浸セラミックス体は、融点以下の温度で減圧した後、室温まで冷却する。なお、複合化時の歪み除去の目的で、金属含浸セラミックス体のアニール処理を行うこともある。
【００２１】
セラミックス粉末の材質は、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれた無機成分の少なくとも１種であることが好ましい。セラミックスの充填量は４０〜９０体積％、特に５０〜８０体積％であることが好ましい。セラミックスの充填量が４０体積％未満であると、金属含浸セラミックス体の熱膨張係数が大きくなりすぎる。一方、９０体積％を越えると、金属を十分に含浸させることができずに、熱伝導率が小さくなりすぎる恐れがある。また、セラミックスの充填状態は特に制限はなく、セラミックス多孔体、又はセラミックス粉末成形体を用いることができる。セラミックスの充填量の調整はセラミックス成分の粒度調整、整形圧力、焼結条件などによって行うことができる。
【００２２】
また、セラミックスと複合化する金属成分は、アルミニウム８０〜１００質量％、珪素０〜２０質量％を含有するアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。珪素成分が２０質量％を超えると合金の融点が高くなり、未含浸部分が発生する場合がある。一方、珪素成分が２０質量％を超えると、得られる合金の熱伝導率が低下し、その結果、得られる金属含浸セラミックス基板の熱伝導率が低下し好ましくない。珪素成分以外の成分としては特性に影響を与えない範囲であれば、特に制限はないが、マグネシウムは、得られる合金とセラミックスの濡れ性を向上させる効果があり、３質量％以内であれば、強度や熱伝導特性に悪影響を与える炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３）の生成を抑制できるため含有してもよい。
【００２３】
セラミックス粉末成形体は、セラミックス成分の粉末のみを成形して製造することもできるし、例えば、シリカゾル、アルミナゾル等の無機バインダーと共に用いて製造することもできる。成形には、プレス成形、鋳込み成形等の一般的なセラミックス粉末の成形方法が採用される。また、セラミックス多孔体は、例えば、上記セラミックス粉末成形体を焼結処理することによって製造することができる。セラミックス多孔体とセラミックス粉末成形体の形状には制約はなく、平板状、円柱状などで用いられる。
【００２４】
金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体から金属含浸セラミックス基板にするには、通常、切断加工と面加工が施される。金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体の形状が直方体形状である場合、平面研削板によりダイヤモンド砥石を用いて所定寸法に外形加工した後、マルチワイヤソー、内周刃切断機等で最終形状より０．１〜０．５ｍｍ程度厚い板厚に切断加工するのがよい。切断方法には限定はないが、切断代が少なく量産性に適したマルチワイヤソーが好適である。マルチワイヤソーの切断では、遊離砥粒タイプ及びダイヤモンド等の研削材を付着したワイヤーが用いられる。面加工では、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機を用い、板厚が０．５〜３ｍｍに加工される。
【００２５】
金属を含浸したセラミックス多孔体又はセラミックス粉末成形体の形状が板状である場合は、両面研削盤、ロータリー研削盤、平面研削盤、ラップ盤等の加工機を用い、板厚が０．５〜３ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）が１．０μｍ以下に面加工をし、次いでウォータージェット加工機、放電加工機、レーザー加工機、ダイシングマシン、円筒研削盤等で所定形状に外周加工を行う。この場合、外周加工を先に行ってから面加工をしてもよい。
【００２６】
一方、金属からなる応力緩和板は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）から選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板から構成されていることが好ましい。その形状は、平板状、円柱状などが用いられる。
【００２７】
金属含浸セラミックス基板又は金属基板のいずれの応力緩和板にあっても、その表面に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ及びＳｎから選ばれた少なくとも１種の金属による、特に好ましくはＮｉ又はＡｕによる、厚みが０．５〜２０μｍの金属層を有していることが好ましい。特に好ましい金属層の厚みは２〜１０μｍである。これによって、セラミックス回路基板、応力緩和板及び金属ベース板の接着状態が良好になる。金属層の厚みが０．５μｍ未満であると、接着状態が悪くなり、２０μｍをこえると、金属層と応力緩和板との熱膨張差による剥離が生じる恐れがある。金属層は、応力緩和板を洗浄後、上記金属種による無電解めっき又は電解めっきを施すことによって形成させることができる。また、金属蒸着法や金属被覆法によっても形成させることができる。
【００２８】
セラミックス回路基板、応力緩和板及び金属ベース板との接合は、はんだ付けまたはロウ付けを用いて行われる。はんだとしてはクリームはんだ、共晶はんだ、鉛フリーはんだなどを用いてもよい。好ましくはロウ付け法による接合が好ましく、接合層が薄く均一にできるため熱抵抗を小さくできる。
【実施例】
【００２９】
［実施例１］
炭化珪素粉末Ａ（市販品：平均粒子径１５０μｍ）３２５０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（市販品：
平均粒子径１０μｍ）１７５０ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）７５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍの寸法の形状に面圧１０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１０００℃で２時間焼成して、気孔率が３５％の焼結体を製造し、平面研削盤を用いて、外形寸法が、５６ｍｍ×４７ｍｍ×１００ｍｍ
の形状に加工してＳｉＣ多孔体を製造した。得られたＳｉＣ多孔体に窒化硼素の離型剤を塗布してから、筒状黒鉛治具（外寸法：８０ｍｍ×８０ｍｍ×１００ｍｍ、内寸法：５６．５ｍｍ×４７．５×１００ｍｍ）に挿入して構造体とした。
【００３０】
黒鉛離型剤の塗布されたステンレス板からなる離型板（８０ｍｍ×１００ｍｍ×０．８ｍｍ）を挟んで上記構造体の４個を組み立て（１６０．８ｍｍ×１６０．８ｍｍ×１００ｍｍ）、両側に鉄板（厚み１２ｍｍ）を配置し、ボルト８本で連結して一つの積層体とした。
この積層体を電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいたプレス金型（内径４００ｍｍ×高さ３００ｍｍ）内に収め、シリコンを１２質量％及びマグネシウムを１質量％含有するアルミニウム合金の溶湯（温度８００℃）を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断して離型板を剥がし、旋盤で黒鉛治具部分を除去して４個の複合体（５６×４７×１００ｍｍ）を製造した。これを５３０℃の温度で３時間アニール処理して含浸時の歪みを除去した。
【００３１】
得られた複合体から、研削加工により熱膨張係数測定用試験体（直径４ｍｍ長さ２０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、強度測定用試験体（４０ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍ）を切り出し、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）で、３点曲げ強度を曲げ強度試験機（今田製作所製；ＳＶ３０１）で測定した。その結果、熱膨張係数は７．５×１０−６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度４００ＭＰａであった。
【００３２】
ついで、複合体を５４ｍｍ×４５ｍｍ×１００ｍｍの形状に外周加工を行ってから、マルチワイヤソーでダイヤモンド砥粒を用い、切り込み速度０．２ｍｍ／ｍｉｎで、板厚１．５ｍｍの板状に切断加工し、更に両面研削盤で＃６００のダイヤモンド砥石を用いて板厚１．２ｍｍに研削加工した。その後、ラップ盤でダイヤモンドの砥粒を用いて、板厚１．０ｍｍまで研磨加工をしてから、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを行い、金属層（６μｍ厚）を形成し応力緩和板Ａを製造した。
＜パワーモジュール構造体＞
以下の構成材料を用い、図１に示されるパワーモジュール構造体を作製した。すなわち、セラミックス回路基板１と金属ベース板３との間に接合層４を介して応力緩和板２を積層してパワーモジュール構造体を作製した。
【００３３】
＜構成材料＞
セラミックス回路基板１：窒化珪素基板：５８ｍｍ×４９ｍｍ×０．６３５ｍｍ
（銅回路：５４ｍｍ×４５ｍｍ×０．２ｍｍ）
応力緩和板２：上記で製造された応力緩和板Ａ：５４ｍｍ×４５ｍｍ×１．０ｍｍ
ベース板３：銅板：１００ｍｍ×８０ｍｍ×４ｍｍ
接合層４：クリームはんだ（０．２ｍｍ厚み）
【００３４】
＜パワーモジュール構造体の信頼性の評価＞
パワーモジュール構造体を−４０℃と１２５℃の恒温槽に３０分間保持しヒートサイクル処理（１０００回）を行った後に、外観及び接合状態を超音波探傷により確認したところ、接合層の剥離等の問題箇所は確認されなかった。
【００３５】
［実施例２］
炭化珪素粉末Ａ（市販品：平均粒子径１５０μｍ）３２５０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（市販品：平均粒子径１０μｍ）１７５０ｇ、シリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）７５０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍの寸法の板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を、温度１２０℃で１時間乾燥後、窒素雰囲気下、温度１０００℃で２時間焼成して、気孔率が３５％の焼結体を製造し、平面研削盤を用いて、外形寸法が、５６ｍｍ×４７ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工してＳｉＣ多孔体を製造した。得られたＳｉＣ多孔体をスライサーとラップ研削盤により、外形寸法が５６ｍｍ×４７×２ｍｍの形状に加工した。
【００３６】
外形寸法が５６ｍｍ×４７×２ｍｍのセラミックス多孔体の３２枚を４枚毎に黒鉛離型剤が塗布された離型板（１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．８ｍｍ）を挟んで積層し、特性評価用として５６×４７×５ｍｍの４枚も一緒に挟んで構造体となし（１７０ｍｍ×１７０ｍｍ×３０ｍｍ）、両側に鉄板（板厚１２ｍｍ）を配置して、ボルト８本で連結して一つの積層体とした。以下、実施例１の応力緩和板Ａと同様にして複合体（５６ｍｍ×４７ｍｍ×２ｍｍ）を製造し、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、それぞれ、７．５×１０−６／Ｋ、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、４００ＭＰａであった。
【００３７】
得られた複合体を、平面研削盤でダイヤモンドの砥石を用いて、板厚１．０ｍｍの板状に面加工した後、続いて、ウォータージェット加工機（スギノマシン製アブレッシブ・ジェットカッタＮＣ）により、圧力２５０ＭＰａ、加工速度１００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、研磨砥粒として粒度１００μｍのガーネットを使用して、５４ｍｍ×４５ｍｍ×１．０ｍｍの形状に切断加工した。その後、上記応力緩和板Ａと同様な金属層を施して応力緩和板Ｂとし、その後、得られた応力緩和板Ｂを実施例１のセラミックス回路基板、金属ベース板と同様の手法を用いて接合し、パワーモジュール構造体を製造し実施例１と同様の信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等の問題は確認されなかった。
【００３８】
［実施例３、４］
炭化珪素粉末Ｃ（市販品：平均粒子径１０μｍ）８１８ｇの粉末（実施例３）、又は黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２４５ｇと炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）３５８ｇの混合粉末（実施例４）を、筒状黒鉛治具（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）に充填し、プレス成形して気孔率が４８％（実施例３）又は気孔率が３５％（実施例４）の粉末成形体を製造した。この粉末成形体を治具に充填した状態で実施例１と同様の手法を用いて積層体とし、複合体を製造した。それらを用い、セラミックス回路基板として窒化アルミニウム基板：６１ｍｍ×５４ｍｍ×０．６３５ｍｍ（Ｃｕ回路：５９ｍｍ×５２ｍｍ×０．２ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１の応力緩和板Ａの場合と同様にして応力緩和板Ｃ：５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ（実施例３）、応力緩和板Ｄ：５９ｍｍ×５２ｍｍ×２．０ｍｍ（実施例４）の製造、パワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等は確認されなかった。
また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｃの熱膨張係数１１．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は５１０ＭＰａ、応力緩和板Ｄの熱膨張係数は８．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１１０ＭＰａであった。
【００３９】
［実施例５〜１１、比較例１］
（Ｎｉ−Ｐ：６μｍ）のめっき層のかわりに、表２に示す金属種と金属層厚みを有する金属層を形成、及び板厚を変えたこと、接合方法を変えたこと以外は、実施例１の応力緩和板Ａを用いたのと同様にして応力緩和板及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、実施例５〜１１では接合層の剥離等の問題は確認されなかったが、比較例１では応力緩和板の割れが確認された。
【００４０】
［実施例１２〜１４、比較例２、３］
セラミックス多孔体として等方性黒鉛成形体Ａ（市販品、気孔率：２２体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１２）、等方性黒鉛成形体Ｂ（市販品、気孔率：２１体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１３）、等方性黒鉛成形体Ｃ（市販品、気孔率：４０体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（実施例１４）、押出黒鉛成形体Ａ（市販品、気孔率：２０体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（比較例２）、等方性黒鉛成形体Ｄ（市販品、気孔率：１８体積％、寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を（比較例３）、アルミニウム合金の代わりに純Ａｌを用いたこと以外は実施例１と同様の手法で複合体を製造し、形状加工を５９ｍｍ×５２ｍｍ×２．０ｍｍ施した。その後、セラミックス回路基板として実施例３で用いた窒化アルミニウム基板を使用したこと、ベース板にアルミニウム板（１００ｍｍ×８０ｍｍ×４ｍｍ）を用いた（実施例１４）こと以外は、応力緩和板Ａの製造に準じて応力緩和板Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｚ、ＡＡ及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、実施例１２〜１４では接合層の剥離等の問題は確認されなかったが、比較例２では応力緩和板の割れが確認され、比較例３では、はんだ接合層の剥離（はんだクラック）が確認された。
【００４１】
また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｌの熱膨張係数は９．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、強度は１０５ＭＰａ、応力緩和板Ｍの熱膨張係数は８．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は６５ＭＰａ、応力緩和板Ｎの熱膨張係数は１３．２×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は７５ＭＰａ、応力緩和板Ｚの熱膨張係数は７．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は２５ＭＰａで、応力緩和板ＡＡの熱膨張係数は５．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は８０ＭＰａあった。
【００４２】
［実施例１５］
窒化アルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２μｍ）２３００ｇ、イットリア粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）９６ｇ、成形バインダー（メチルセルロース）１２０ｇ、及び純水１２０ｇの混合粉末を、面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、更に成形圧力５０ＭＰａでＣＩＰ成形して円柱体（直径１１０ｍｍ×１１０ｍｍ）を製造した。これを、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７８０℃で４時間焼成して焼結体を製造した後、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、気孔率が３０％の無機多孔体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。
【００４３】
実施例１２と同様の手法にてこの無機多孔体を複合化したこと以外は、実施例１２の応力緩和板Ｌと同様にして応力緩和板Ｏ（５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｏの熱膨張係数は７．６×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は３６０ＭＰａであった。
【００４４】
［実施例１６］
窒化珪素粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）２７６０ｇ、イットリア粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）１５０ｇ、及び酸化マグネシウム粉末（市販品：平均粒子径１μｍ）９０ｇの混合物を用いたこと以外は、実施例１５と同様にして円柱体（直径１１０ｍｍ×１１０ｍｍ）を製造した。これを、０．０１ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１６００℃で４時間焼成して焼結体を製造した後、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、気孔率が２２％の無機多孔体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。
【００４５】
実施例１２と同様の手法にてこのセラミックス多孔体を複合化したこと以外は、実施例１２の応力緩和板Ｌと同様にして応力緩和板Ｐ（５９ｍｍ×５２ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合層の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｐの熱膨張係数は７．３×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は５２０ＭＰａであった。
【００４６】
［実施例１７］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）３７７ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）５５０ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）３４３ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）４７ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し、筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に混合粉末２６ｇと黒鉛の離型処理を施した０．８ｍｍｔの離型板（ＳＵＳ板）を交互に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を７０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍ）を製造した。この複合体を実施例２の複合体と同様の手法で形状加工を行い、応力緩和板Ｑ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造した。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｑの熱膨張係数は１０．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１００ＭＰａであった。
【００４７】
この応力緩和板Ｑを使用したことと、セラミックス回路基板として窒化アルミニウム基板：６１×５４×０．６３５ｍｍｔ（Ａｌ回路：５７×５０×０．２ｍｍｔ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００４８】
［実施例１８］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２９６ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）４３３ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）５１５ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）７０ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を５５体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板Ｒ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造し、実施例１７と同様の手法にてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｒの熱膨張係数は１１．９×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１３０ＭＰａであった。
【００４９】
［実施例１９］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）２１６ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）３１５ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）６８７ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）９４ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を４０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板Ｓ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）を製造し、実施例１７と同様のセラミックス回路基板、実施例１４と同様のベース板を使用してパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｓの線膨張係数は１４．５×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１４０ＭＰａであった。
【００５０】
［比較例４］
黒鉛粉末Ａ（市販品：平均粒子径３００μｍ）１６２ｇ、炭化珪素粉末Ｄ（市販品：平均粒子径２０μｍ）２３６ｇのセラミックス粉末、及びのアルミニウム粉末（市販品：平均粒子径２０μｍ）８０２ｇ、珪素粉末（市販品：平均粒子径７μm）１０９ｇの金属粉末をボールミルで１５分混合し筒状鉄製金型（内寸法：７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）に充填し、アルミニウム合金の融点以上の温度（６００℃）に加熱後に圧力５０ＭＰａで加圧した状態で、一方向から凝固させてセラミックス粉末を３０体積％含む複合体（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を製造した。実施例１８と同様の手法を用いて、この複合体から応力緩和板ＡＢ（５７ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）及びパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分にはんだ接合部分の剥離（はんだクラック）が確認された。また、実施例１と同様にして、温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数と温度２５℃での熱伝導率、３点曲げ強度を測定したところ、応力緩和板Ｑの熱膨張係数は１７．０×１０-６／Ｋ、熱伝導率は１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、３点曲げ強度は１３５ＭＰａであった。
【００５１】
［実施例２０〜２２］
温度２５℃〜１５０℃の熱膨張係数が８．５×１０−６／Ｋで、温度２５℃での熱伝導率が２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である、銅−タングステン（組成（質量％）：Ｃｕ／Ｗ＝２０／８０）からなる金属板の板厚を表２のように変更した金属基板からなる応力緩和板を種々用意した。これらの応力緩和板を用いたこと以外は、実施例１７の応力緩和板Ｑと同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００５２】
［実施例２３、２４］
Ｃｕ／Ｗからなる金属板の代わりに、温度２５℃の熱伝導率が２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ)である銅−モリブデン（組成（質量％）：Ｃｕ／Ｍｏ＝５０／５０）の金属基板（実施例２３）を、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ)である、銅−モリブデン−銅（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ）の３層積層板（各層の厚みは０．２ｍｍの金属基板（実施例２４）を応力緩和板として用いたこと以外は、実施例１７と同様にしてパワーモジュール構造体を製造し、信頼性評価を行った。その結果、接合部分の剥離等の問題は確認されなかった。
【００５３】
実施例・比較例の主要条件と結果を表１〜３に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【表２】
【００５６】
【表３】
【符号の説明】
【００５７】
１．セラミックス回路基板
２．応力緩和板
３．金属ベース板
４．金属回路
５．接合層
６．金属
７．セラミックス粉末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体。
【請求項２】
応力緩和板が、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を複合化した板状の金属含浸セラミックス基板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール構造体。
【請求項３】
応力緩和板が、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｏ及びＦｅから選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール構造体。
【請求項４】
下記の（１）又は（２）の工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に金属層を形成してなることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
（１）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％のブロック状の多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で複合化し、ブロック状の金属含浸セラミックス体を切断加工及び又は形状加工して板状の金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（２）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％の板状の多孔体、又は粉末成形体を離型板を介して積層し、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で含浸し板状の金属含浸セラミックス体を作製した後、形状加工して金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
【請求項５】
下記の（３）又は（４）の工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に金属層を形成してなることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
（３）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスしてブロック状に複合化し、切断加工及び又は外周加工により板状の金属含浸セラミックス基板を得る工程。
（４）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスして板状の金属含浸セラミックス基板に複合化する工程。
【請求項６】
応力緩和板の表面の金属層が０．５〜２０μｍの厚みのＮｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上の金属をめっきにより形成してなることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
【請求項１】
セラミックス回路基板の熱膨張係数をα（×１０−６／Ｋ）、応力緩和板の熱膨張係数をβ（×１０−６／Ｋ）、金属ベース板の熱膨張係数をγ（×１０−６／Ｋ）とした時、（α＋γ）／２−４＜β＜（α＋γ）／２＋４を満たす熱膨張係数を有し、板厚が０．５〜３．０ｍｍで温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上の応力緩和板の表面に金属層を形成した後、セラミックス回路基板と金属ベース板との間にはんだ付け又はロウ付けしてなるパワーモジュール構造体。
【請求項２】
応力緩和板が、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を複合化した板状の金属含浸セラミックス基板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール構造体。
【請求項３】
応力緩和板が、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ、Ｃｏ及びＦｅから選ばれた金属板、上記金属成分の少なくとも１種を含む合金板、又は上記金属板及び上記合金板から選ばれた２種以上で構成された積層板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール構造体。
【請求項４】
下記の（１）又は（２）の工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に金属層を形成してなることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
（１）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％のブロック状の多孔体、又は粉末成形体とアルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で複合化し、ブロック状の金属含浸セラミックス体を切断加工及び又は形状加工して板状の金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
（２）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれるセラミックス粉末１種類以上からなる気孔率が１０〜６０体積％の板状の多孔体、又は粉末成形体を離型板を介して積層し、アルミニウム又はアルミニウム合金を溶湯鍛造法にて３０ＭＰａ以上の圧力で含浸し板状の金属含浸セラミックス体を作製した後、形状加工して金属含浸セラミックス基板を作製する工程。
【請求項５】
下記の（３）又は（４）の工程を経て得られる板状の金属含浸セラミックス基板の表面に金属層を形成してなることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
（３）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスしてブロック状に複合化し、切断加工及び又は外周加工により板状の金属含浸セラミックス基板を得る工程。
（４）炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化硼素、及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上のセラミックス粉末を４０〜９０体積％とアルミニウム又はアルミニウム合金を１０〜６０体積％混合した粉末を離型処理を施した金型に充填し、アルミニウム又はアルミニウム合金の融点以上の温度に加熱して、３０ＭＰａ以上の圧力で加熱プレスして板状の金属含浸セラミックス基板に複合化する工程。
【請求項６】
応力緩和板の表面の金属層が０．５〜２０μｍの厚みのＮｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上の金属をめっきにより形成してなることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のパワーモジュール構造体に用いる応力緩和板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１３９０００（Ｐ２０１１−１３９０００Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７９（Ｐ２０１０−７９）
【出願日】平成２２年１月４日（２０１０．１．４）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月４日（２０１０．１．４）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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