JP2018056275A - 回路基板付きヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる回路基板付きヒートシンク及びその製造方法を提供する。【解決手段】回路基板付きヒートシンク１は、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、中間板４と、回路基板５とを有している。低膨張板３は、銅材よりも低い線膨張係数を有し、ヒートシンク本体２のベース部２１上に接合されている。中間板４は、低膨張板３上に接合されている。回路基板５は、中間板４上に配置されている。また、回路基板５は、中間板４上に接合された裏面金属層５１と、裏面金属層５１上に積層されたセラミックス板５２と、セラミックス板５２上に積層された回路金属層５３とを有している。ベース部２１と低膨張板３との接合部、低膨張板３と中間板４との接合部及び中間板４と裏面金属層５１との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層２０、３０、４０を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板付きヒートシンク及びその製造方法に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置には、セラミックス板の両面に金属板が接合された回路基板と、回路基板における一方の金属板に接合されたヒートシンクとを有する回路基板付きヒートシンクが組み込まれている。回路基板における他方の金属板には、電力回路を構成する半導体素子などがはんだ付により搭載されている。これらの金属板としては、銅材（同及び銅合金を含む。以下同様。）が多用されている。また、ヒートシンクは、軽量化を目的として、アルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同様。）から構成されていることがある。

この種の回路基板付きヒートシンクにおいて、異種金属を接合する場合には、接合の信頼性の観点から、拡散接合が適用されることがある（特許文献１）。拡散接合においては、ヒートシンクと回路基板とを重ね合わせて被処理物を組み立てた後、回路基板をヒートシンク側に押圧しながら被処理物を加熱することにより、金属板とヒートシンクとを接合している。

特開２０１６−６３１４５号公報

しかし、回路基板におけるセラミックス板の熱膨張係数と、ヒートシンクを構成するアルミニウム材の熱膨張係数とは大きく異なっている。そのため、金属板とヒートシンクとの接合が完了した後に被処理物を冷却すると、セラミックス板とヒートシンクとの収縮量に差が生じる。その結果、拡散接合が完了した後の回路基板付きヒートシンクにおいて、セラミックス板に反り及び残留応力が発生する。

また、拡散接合後の回路基板は、拡散層を介してヒートシンクに拘束されている。そのため、例えば半導体素子のはんだ付作業の際や、半導体素子の発熱等により回路基板及びヒートシンクの温度が上昇した際に、セラミックス板の中心付近に引張応力が生じるとともに、セラミックス板に反りが生じる。そして、これらの引張応力や反りが過度に大きい場合には、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる回路基板付きヒートシンク及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、平板状を呈するベース部を備えたアルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
銅材よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に接合された低膨張板と、
上記低膨張板上に接合されたアルミニウム材よりなる中間板と、
上記中間板上に配置された回路基板とを有しており、
上記回路基板は、
上記中間板上に接合された銅材からなる裏面金属層と、
上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
上記セラミックス板上に積層された銅材からなる回路金属層とを有しており、
上記ベース部と上記低膨張板との接合部、上記低膨張板と上記中間板との接合部及び上記中間板と上記裏面金属層との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層を有している、回路基板付きヒートシンクにある。

本発明の他の態様は、上記の態様の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、
上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
上記ベース部と、該ベース部上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された上記中間板と、該中間板と上記裏面金属層とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により隣り合う部材の境界に一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法にある。

上記回路基板付きヒートシンク（以下、「ヒートシンク」という。）における上記ベース部上には、上記低膨張板、上記中間板、上記裏面金属層、上記セラミックス板及び上記回路金属層が順次積層されている。即ち、上記ヒートシンクは、上述した積層構造における最も外側に、アルミニウム材からなる上記ベース部と銅材からなる上記回路金属層とが配置されており、その内側に、銅材よりも線膨張係数が低い上記低膨張板と上記セラミックス板とが配置されている。そして、上記低膨張板と上記セラミックス板との間には、アルミニウム材からなる中間板と裏面金属層とが配置されている。

このように、アルミニウム材や銅材からなる層と、これらの材料よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造においては、温度が変化した際に上記セラミックス板に生じる反りの向きが、上記低膨張板に生じる反りの向きとは反対方向となる。そして、両者の反りが相殺される結果、接合完了時の上記セラミックス板の反りを低減するとともに、その後の温度変化によって生じる上記セラミックス板の反りを低減することができる。その結果、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる。

また、上記の態様の製造方法においては、上述した部品を重ね合わせて上記被処理物を組み立てた後、一括して拡散接合を行う。これにより、上記ヒートシンクを容易に作製することができる。

実施例における、回路基板付きヒートシンクの平面図である。 図１のII−II線矢視断面図である。 実施例５の試験体Ｅ２における、低膨張板の外周端縁近傍の一部拡大断面図である。

上記ヒートシンクにおいて、ヒートシンク本体は、平板状を呈するベース部を有している。ベース部の厚み方向における一方側には、拡散層を介して低膨張板が接合されている。また、ベース部の厚み方向における他方側には、ヒートシンク本体とは別体に構成されたピンフィンやプレートフィン、コルゲートフィン等の放熱フィンが取り付けられていてもよい。これらの放熱フィンはヒートシンク本体と一体的に形成することもできる。

上記ベース部の厚みは、上記回路金属層の厚みの１．０〜１．５倍であることが好ましい。このように、回路金属層の厚みとベース部の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りをより効果的に低減することができる。

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、ベース部の厚みを回路金属層の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、ベース部の厚みを回路金属層の厚みの１．０〜１．３倍とすることがより好ましく、１．０〜１．２倍とすることがさらに好ましい。

また、ヒートシンク本体は、さらに、ベース部の外周端縁から立設され、低膨張板、中間板及び回路基板の周囲に配置された外枠部を有していてもよい。外枠部は、上記ヒートシンクの製造過程において、ベース部上に載置した低膨張板、中間板及び回路基板の位置ずれを容易に抑制することができる。

上記外枠部の高さは、上記回路金属層の高さに対して０．９〜１．１倍であることが好ましい。外枠部の高さを上記特定の範囲とすることにより、上記ヒートシンクを作製する際に、低膨張板等の位置ずれをより抑制することができる。また、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業における作業性をより向上させることができる。ここで、外枠部の高さ及び回路金属層の高さは、ベース部における、低膨張板が配置された板面の裏面を基準として計測した高さとする。

外枠部の高さが回路金属層の高さに対して０．９倍未満の場合には、上記ヒートシンクの製造過程において、回路基板等の位置がずれ易くなるおそれがある。外枠部の高さが回路金属層の高さに対して１．１倍を超える場合には、ヒートシンク本体の質量増大を招くおそれがある。また、この場合には、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業において、外枠部の存在により作業性が低下するおそれがある。

ヒートシンク本体の材質は、要求される機械的特性や耐食性、加工性等に応じて公知のアルミニウム及びアルミニウム合金の中から適宜選択することができる。

例えば、ヒートシンク本体は、６０００系アルミニウム合金から構成されていてもよい。６０００系アルミニウム合金は高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、ヒートシンク本体のクリープ変形をより抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。

低膨張板は、拡散層を介してベース部に接合されている。低膨張板の厚みは、上記セラミックス板の厚みの０．５〜２．０倍であることが好ましい。このように、セラミックス板の厚みと低膨張板の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りを効果的に低減することができる。

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みの１．０〜２．０倍とすることがより好ましく、１．２５〜１．７５倍とすることがさらに好ましく、１．５〜１．６倍とすることが特に好ましい。

低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数は、２〜１０ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。この場合には、回路基板のセラミックス板と同程度の線膨張係数となるため、セラミックス板に生じる反りと、低膨張板に生じる反りとを効果的に相殺することができる。その結果、セラミックス板の反りを効果的に低減し、セラミックス板の割れを長期間に亘って抑制することができる。セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制する観点からは、低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数を２〜９ｐｐｍ／Ｋとすることがより好ましく、３〜８ｐｐｍ／Ｋとすることがさらに好ましい。

上記特定の範囲の線膨張係数を有する材料としては、例えば、タングステン（Ｗ）、タングステン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）３６％合金等の金属；タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属層と銅層とが積層された積層材料；ダイヤモンド分散複合銅材料やセラミック分散銅材料等の複合材料を採用することができる。

低膨張板は、複数の金属層が積層された多層構造を有していることが好ましい。この場合には、ベース部または中間板に接合される板面にアルミニウム材と容易に拡散接合が可能な金属層を配置することにより、低膨張板による反りの低減効果を得つつ、ベース部及び中間板との拡散接合をより容易に行うことができる。

多層構造を有する低膨張板としては、例えば、タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属層の片面または両面に銅層が積層された積層材料を採用することができる。

また、上記低膨張板の線膨張係数は、上記セラミックス板の線膨張係数の０．８５〜２．３倍であることがさらに好ましい。この場合には、接合時及び接合後にセラミックス板に生じる応力や反りをより効果的に相殺することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数に近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数の１．０〜１．７５倍とすることがより好ましく、１．１〜１．５倍とすることがさらに好ましく、１．２〜１．３倍とすることが特に好ましい。

低膨張板の形状は、外枠部の内側に配置可能な形状であれば、特に限定されることはない。例えば、低膨張板は、正方形状あるいは長方形状を呈していてもよい。この場合、低膨張板の厚み方向から視た平面視において、低膨張板の外周端縁における角部が円弧状を呈するように、角部を丸めることもできる。この場合には、接合時及び接合後に生じるセラミックス板の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

また、低膨張板は、格子状の構造を有していてもよい。この場合には、低膨張板をより軽量化することができ、ひいては上記ヒートシンクをより軽量化することができる。

中間板は、拡散層を介して低膨張板に接合されている。中間板は、例えば、純度９９．０〜９９．８５％のアルミニウムから構成されていてもよい。低膨張板の純度を９９．０％以上とすることにより、中間板の熱伝導率をより高くすることができる。その結果、上記ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、低膨張板の純度が過度に高くなると、材料コストの増大を招く。低膨張板の純度を９９．８５％以下とすることにより、材料コストの増大を回避することができる。

また、中間板は、６０００系アルミニウム合金から構成されていてもよい。６０００系アルミニウム合金は、高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、セラミックス基板から受ける応力による中間板のクリープ変形をより効果的に抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。

中間板上には回路基板が配置されている。回路基板は、回路金属層、セラミックス板及び裏面金属層が順次積層された３層構造を有している。裏面金属層は、拡散層を介して中間板に接合されている。回路金属層及び裏面金属層としては、公知の銅または銅合金から構成された板材を採用することができる。

回路金属層の厚みと裏面金属層の厚みとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは、０．１〜１．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。これらの厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、回路基板に搭載された発熱体の熱を効率よく拡散することができる。その結果、ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、これらの厚みが過度に厚い場合には、寸法精度の低下を招くおそれがある。寸法精度の低下を回避する観点から、回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

セラミックス板は、２〜１０ｐｐｍ／Ｋの線膨張係数を有するセラミックス材料から構成されている。セラミックス板の材質としては、具体的には、アルミナ等の酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスを採用することができる。

上記中間板の外周端縁は上記裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出しており、上記低膨張板の外周端縁は上記中間板の外周端縁よりも外方に延出しており、上記中間板の外周端縁及び上記低膨張板の外周端縁は、それぞれ、上記回路基板側に突出した突出部を有していてもよい。この場合には、上記ヒートシンクの製造過程において、低膨張板上に中間板及び回路基板を重ね合わせる際の位置決めをより容易に行うことができる。その結果、上記ヒートシンクをより容易に製造することができる。また、低膨張板と中間板との隙間及び中間板と裏面金属層との隙間を小さくすることができるため、冷却性能の更なる向上という効果も期待することができる。

上記突出部は、中間板及び低膨張板の製造工程中に突出部を形成するための工程を追加することにより、中間板及び低膨張板の外周端縁に積極的に形成されたものであってもよい。また、例えば中間板及び低膨張板の製造過程において生じるバリ等を上記突出部とすることもできる。

即ち、上記ヒートシンクを製造するに当たっては、まず、上述した各構成部品を常法により準備する。ここで、低膨張板及び中間板の準備においては、これらの元板に、所定の寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行う、あるいは、シャー切断加工を行うことがある。これらの加工は、生産性が高く、加工コストも低いという利点がある一方、加工後に低膨張板や中間板の外周端縁にバリが発生する。このようなバリは、その後の工程において製造上あるいは品質上のトラブルの原因となるおそれがある。しかし、バリを除去するための加工を追加すると、生産性や加工コストの面での利点が損なわれるおそれがある。

そこで、中間板の外周端縁が裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出し、かつ、低膨張板の外周端縁が中間板の外周端縁よりも外方に延出するように、低膨張板及び中間板を作製することにより、これらの問題を回避することができる。この場合には、低膨張板及び中間板のバリを上記突出部として構成し、低膨張板及び中間板のバリと、これらの部品上に積層される部品との接触を回避することができる。その結果、バリによる製造上あるいは品質上のトラブルを回避しつつ、プレス打ち抜き加工等による利点を得ることができる。さらに、この場合には、上述した突出部による作用効果を奏することもできる。

上記の作用効果を十分に得るためには、低膨張板の外周端縁の突出量、即ち、中間板の外周端縁から低膨張板の外周端縁までの距離は、０．１ｍｍ以上であればよい。同様に、中間板の外周端縁の突出量、即ち、裏面金属層の外周端縁から中間板の外周端縁までの距離は、０．１ｍｍ以上であればよい。

これらの突出量の上限は特に限定されるものではないが、ヒートシンクの小型化の観点からは、突出量を４．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、上記製造方法においては、常法により各部品を準備した後、ベース部、低膨張板、中間板及び裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行う。表面処理としては、例えば、これらの表面を酸により洗浄する方法を適用することができる。自然酸化膜を除去することにより、後の拡散接合の工程において、上記拡散層を容易に形成することができる。

上述の表面処理を行った後、各部品を順次重ね合わせて被処理物を組み立てる。その後、回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ被処理物を加熱して拡散接合を行う。上記被処理物を真空中において加熱すると、被接合部材同士が当接している部分において、各部材を構成する原子が相互に拡散する。

この相互拡散により、ベース部と低膨張板との間に、被接合部材を構成する元素、即ち、ベース部を構成する元素と低膨張板を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。また、低膨張板と中間板との間及び中間板と裏面金属層との間にも、上記と同様に、被接合部材を構成する元素を含む拡散層が形成される。以上の結果、拡散接合が完了した状態においては、拡散層を介して隣り合う被接合部材が接合される。

拡散接合における加熱条件は、被接合部材の材質等に応じて公知の条件から適宜選択することができる。例えば、銅材とアルミニウム材との拡散接合を行う場合には、加熱時の真空度を１０^-1Ｐａ以下、加熱温度を４００〜５４５℃、保持時間を０．５〜６時間とすることができる。

また、上記ヒートシンクの製造に当たっては、ベース部と低膨張板との間、低膨張板と中間板との間または中間板と裏面金属層との間に、必要に応じてインサート金属を介在させ、インサート金属を介して各部品の拡散接合を行ってもよい。この場合には、拡散接合の際に、被接合部材とインサート金属との当接部において、両者を構成する原子が相互に拡散する。

そのため、拡散接合後にインサート金属が残存している場合には、被接合部材とインサート金属との間に、被接合部材を構成する元素とインサート金属を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。また、拡散接合後にインサート金属が消失している場合には、隣り合う被接合部材の間に、被接合部材を構成する元素とインサート金属を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。以上の結果、拡散接合が完了した状態において、拡散層を介して上記各部品が接合される。

インサート金属としては、例えば、金、銀、銅またはチタンなどを用いることができる。これらのインサート金属は、コールドスプレー、イオンプレーティング、真空蒸着またはスパッタリング等により上記各部材の表面に形成してもよく、インサート金属の箔を各部材の間に挟み込んでもよい。インサート金属の厚みは、例えば、０．１〜１．０μｍとすることができる。

上記回路基板付きヒートシンクの実施例を、以下に説明する。なお、本発明の回路基板付きヒートシンク及びその製造方法の態様は以下の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲において適宜構成を変更することができる。

（実施例１）
本例のヒートシンク１は、図１及び図２に示すように、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、中間板４と、回路基板５とを有している。図２に示すように、ヒートシンク本体２は、アルミニウム材から構成されており、平板状を呈するベース部２１を有している。低膨張板３は、銅材よりも低い線膨張係数を有し、ベース部２１上に接合されている。中間板４は、アルミニウム材から構成されており、低膨張板３上に接合されている。

回路基板５は、中間板４上に配置されている。また、回路基板５は、銅材からなり、中間板４上に接合された裏面金属層５１と、裏面金属層５１上に積層されたセラミックス板５２と、銅材からなり、セラミックス板５２上に積層された回路金属層５３とを有している。ベース部２１と低膨張板３との接合部、低膨張板３と中間板４との接合部及び中間板４と裏面金属層５１との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層２０、３０、４０を有している。

図１及び図２に示すように、本例のヒートシンク本体２は、ベース部２１と、外枠部２２と、放熱フィン２３とを有している。図１に示すように、ヒートシンク本体２は、ベース部２１の厚み方向から視た平面視において、長方形状を呈している。本例のヒートシンク本体２における縦方向（長辺方向）の寸法は１１０ｍｍであり、横方向（短辺方向）の寸法は９０ｍｍである。また、本例のベース部２１の厚みは０．４ｍｍである。また、本例のヒートシンク本体２は、ＪＩＳ Ａ３００３合金から構成されている。

図２に示すように、ベース部２１における一方の板面２１１上には、拡散層２０を介して低膨張板３が接合されている。また、ベース部２１の他方の板面、即ち、低膨張板３が積層されている板面２１１の裏面２１２には、多数の放熱フィン２３が立設されている。本例の放熱フィン２３は、直径１．５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状を呈している。また、放熱フィン２３は、ベース部２１の厚み方向から視た平面視において、一辺７５ｍｍの正方形状の領域内に配置されている。

外枠部２２は、ベース部２１の外周縁部２１３に立設されており、図１及び図２に示すように、低膨張板３、中間板４及び回路基板５の周囲に配置されている。

本例においては、ベース部２１の裏面２１２を基準としたときの外枠部２２の高さＨ１は、回路金属層５３の高さＨ２の１．０倍である。具体的には、本例のヒートシンク１における外枠部２２の高さＨ１及び回路金属層５３の高さＨ２は、いずれも３．０ｍｍである。

図２に示すように、ベース部２１上には、拡散層２０を介して低膨張板３が接合されている。本例の低膨張板３は、厚み０．６４ｍｍのニッケル板である。なお、ニッケルの典型的な線膨張係数は１３．３ｐｐｍ／Ｋであり、銅材の典型的な線膨張係数（１６〜１７ｐｐｍ／Ｋ）よりも低い線膨張係数を有する。また、拡散層２０には、ベース部２１を構成するアルミニウムと、低膨張板３を構成するニッケルとが含まれている。

低膨張板３上には、拡散層３０を介して中間板４が積層されている。拡散層３０には、低膨張板３を構成するニッケルと、中間板４を構成するアルミニウムとが含まれている。

中間板４上には、拡散層４０を介して、回路基板５の裏面金属層５１が積層されている。本例の回路基板５は、銅材からなる厚み０．４ｍｍの裏面金属層５１、窒化ケイ素からなる厚み０．３２ｍｍのセラミックス板５２及び銅材からなる厚み０．４ｍｍの回路金属層５３が順次積層された３層構造を有している。また、拡散層４０には、中間板４を構成するアルミニウムと、裏面金属層５１を構成する銅とが含まれている。

本例においては、表１に示すように、ＪＩＳ Ａ３００３合金板、純アルミニウム板（純度９９．５０％）及びＪＩＳ Ａ６０６３合金板のいずれかを中間板４として用い、３種のヒートシンク１（試験体Ａ１〜Ａ３）を作製した。試験体の作製は、以下の方法により行った。

まず、Ａ３００３合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン２３を立設した。次いで、放熱フィン２３を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ２．６ｍｍの凹部を形成し、ヒートシンク本体２を作製した。また、厚み０．６４ｍｍのニッケル板を裏面金属層５１と同じ寸法に切断することにより、低膨張板３を作製した。

厚み０．８２ｍｍのＡ３００３合金板、純アルミニウム板及びＡ６０６３合金板を低膨張板３と同じ寸法に切断することにより、中間板４を作製した。回路基板５には、市販品を採用した。

次に、これらの部品を希塩酸で３分間洗浄し、ベース部２１、低膨張板３、中間板４及び裏面金属層５１の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行った。そして、ベース部２１上に、低膨張板３、中間板４及び回路基板５をこの順に載置し、被処理物を組み立てた。この被処理物に治具を取り付け、回路基板５をベース部２１側に押圧した状態で、真空中で被処理物を４５０℃まで加熱した。被処理物の温度が４５０℃に達した後、その温度を１時間保持し、拡散接合により隣り合う被接合部材の境界に一括して拡散層２０、３０、４０を形成した。以上により試験体Ａ１〜Ａ３を作製した。

また、本例においては、試験体Ａ１〜Ａ３との比較のため、回路基板５がベース部２１上に直接接合された試験体Ｒを作製した。試験体Ｒは、低膨張板３及び中間板４を有しない点以外は、試験体Ａ１〜Ａ３と同一の構成を有している。

これらの試験体Ａ１〜Ａ３及び試験体Ｒについて、拡散接合後の回路基板５の反り、はんだ付時の回路基板５の反り、冷却性能及び耐久性の評価を行った。

・拡散接合後の回路基板５の反り
拡散接合後の試験体を治具から取り外した後、回路基板５の中央部と外周端部との高さの差を測定し、これを回路基板５の反り量とした。拡散接合後の回路基板５は、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側が凸となるように湾曲していた。拡散接合後の回路基板５の反り量は、表１に示したとおりであった。

・はんだ付時の回路基板５の反り
回路基板５へのはんだ付作業を想定し、試験体を２７０℃に加熱した状態での回路基板５の反り量を測定した。２７０℃に加熱された状態においては、回路基板５の反りの向きが加熱前とは逆向きとなり、ベース部２１と回路基板５との積層方向におけるベース部２１側が凸となるように湾曲していた。この状態での回路基板５の反り量は、表１に示したとおりであった。

・冷却性能
各試験体の放熱フィン２３側に水冷ジャケットを取り付け、この水冷ジャケット内に一定の流量で冷媒を流した。そして、回路金属層５３上に発熱体を載置し、一定の出力で熱を発生させた。なお、冷媒としてはＬＬＣ（Long-Life Coolant）５０％を使用し、流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。また、発熱体の発熱量は８００Ｗとした。

この状態を保持し、定常状態に到達したときの発熱体の温度を計測した。そして、試験体Ｒにおける発熱体の温度をＴr（Ｋ）、試験体Ａ１〜Ａ３における発熱体の温度をＴs（Ｋ）とし、下記の式により、冷却性能の低下率Ｒ（％）を算出した。冷却性能の低下率Ｒは、表１に示した通りであった。
Ｒ＝（Ｔs−Ｔr）／Ｔr×１００

・耐久性
温度サイクル試験機を用い、１５０℃に３０分間保持する加熱ステップと、−５０℃に３０分間保持する冷却ステップとからなるサイクルを１０００サイクル繰り返して温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験後の回路基板５の反り量を測定し、温度サイクル試験前の回路基板５の反り量からの変化を算出した。温度サイクル試験による反り量の変化は表１に示した通りであった。

表１から理解できるように、アルミニウム材や銅材からなる層と、これらの材料よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造を有する試験体Ａ１〜Ａ３は、拡散接合後の反り量が小さく、２７０℃に加熱した際にセラミックス板５２の割れは発生しなかった。また、試験体Ａ３は、材料強度の高いＡ６０６３合金板を中間板４としたため、温度サイクル試験後の反り量の変化が小さく、特に優れた耐久性を示した。

一方、試験体Ｒは、低膨張板３を有していないため、２７０℃に加熱した際にセラミックス板５２に割れが発生した。

（実施例２）
本例は、セラミックス板５２の材質を種々変更した例である。なお、本実施例以降において用いる符号のうち、既出の実施例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り、既出の実施例における構成要素等と同様の構成要素等を表す。

本例においては、低膨張板３として、複数の金属層が積層された積層材料を使用した。具体的には、本例の低膨張板３は、厚み０．８０ｍｍのモリブデン層の両面に厚み０．０５ｍｍの銅層が積層された３層構造を有している。

低膨張板３に上記の積層材料を使用し、中間板４及びセラミックス板５２の構成を表２に示すように変更した以外は実施例１と同様の方法により試験体Ｂ１〜Ｂ１０を作製した。なお、表２中には、低膨張板３の線膨張係数として、その値とともに、セラミックス板５２の線膨張係数を１倍としたときの倍率を記載した。

そして、これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表３に示す通りであった。

本例の低膨張板３は、銅層とモリブデン層とを有する３層構造の積層材料である。銅及びモリブデンは、ニッケルに比べて高い熱伝導率を有している。そのため、試験体Ｂ１〜Ｂ１０は、表２及び表３に示すように、試験体Ａ１〜Ａ３（表１参照）に比べて冷却性能が向上した。

また、これらの試験体のうち、試験体Ｂ１〜Ｂ３及びＢ６〜Ｂ８は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．８５〜２．３倍である。そのため、低膨張板３の線膨張係数が上記の範囲外である試験体Ａ１（表１参照）やＢ４等に比べて、はんだ付時の回路基板５の反り量を低減することができた。

（実施例３）
本例は、低膨張板３の各金属層の厚みを種々変更した例である。本例においては、ヒートシンク本体２における外枠部２２の高さＨ１を３．５ｍｍに変更し、低膨張板３、中間板４及びセラミックス板５２の構成を表４に示すように変更した以外は、実施例２と同様の方法により試験体Ｃ１〜Ｃ５を作製した。なお、表４中には、低膨張板３の厚みとして、その値とともに、セラミックス板５２の厚みを１倍としたときの倍率を記載した。また、中間板４の厚みは、回路金属層５３の高さＨ２が３．５ｍｍとなるように調整されている。

これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表５に示す通りであった。

試験体Ｃ１〜Ｃ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

また、表４及び表５に示したように、試験体Ｃ１、Ｃ２及びＣ４は、低膨張板３の厚みがセラミックス板５２の厚みの０．５〜２．０倍である。そのため、これらの試験体は、セラミックス板５２の厚みが上記の範囲外である試験体Ｃ３等よりもさらに回路基板５の反り量を低減することができた。

（実施例４）
本例は、ベース部２１の厚みを種々変更した例である。本例においては、低膨張板３として厚み１．０ｍｍのモリブデン板（線膨張係数５．０ｐｐｍ／Ｋ）、セラミックス板５２として厚み０．６４ｍｍの窒化アルミニウム板（線膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）を採用し、ヒートシンク本体２及び中間板４の構成を表６に示すように変更した。また、モリブデンについては、６０℃以上の湯洗により表面に存在する自然酸化膜を除去することができる。そのため、本例においては、希塩酸に替えて、６０℃以上の湯により低膨張板３を３分間洗浄した。これらの点以外は、実施例１と同様の方法により試験体Ｄ１〜Ｄ５を作製した。なお、本例の低膨張板３は、表６中には、ベース部２１の厚みとして、その値とともに、回路金属層５３の厚みを１倍としたときの倍率を記載した。また、中間板４の厚みは、回路金属層５３の高さＨ２が３．５ｍｍとなるように調整されている。

これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表７に示す通りであった。

試験体Ｄ１〜Ｄ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．８５〜２．３倍であるため、はんだ付時の反り量を試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

また、表６及び表７に示したように、試験体Ｄ２〜Ｄ４は、ベース部２１の厚みが回路金属層５３の厚みの１．０〜１．５倍である。そのため、これらの試験体は、ベース部２１の厚みが上記の範囲外である試験体Ｄ１等よりもさらに回路基板５の反り量を低減することができた。

（実施例５）
本例は、突出部３１、４１を備えた低膨張板３０５及び中間板４０５を有するヒートシンク１０５の例である。本例においては、以下のようにして試験体Ｅ１及びＥ２を作製した。

まず、Ａ６０６３合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン２３を立設し、次いで、放熱フィン２３を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ２．６ｍｍの凹部を形成することにより、ヒートシンク本体２を作製した。次に、厚み０．８２ｍｍの純アルミニウム板にプレス打ち抜き加工を施して中間板４、４０５を作製するとともに、厚み１．０ｍｍのモリブデン板にプレス打ち抜き加工を施して低膨張板３、３０５を作製した。

より具体的には、試験体Ｅ１に用いる中間板４及び低膨張板３については、裏面金属層５１と同じ寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行った。一方、試験体Ｅ２に用いる中間板４０５については、裏面金属層５１よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。また、試験体Ｅ２に用いる低膨張板３０５については、中間板４０５よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。これらのプレス打ち抜き加工により、本例の中間板４、４０５及び低膨張板３、３０５の外周端縁にバリが形成された。

回路基板５としては、市販品を採用した。

各部品を酸または６０℃以上の湯により洗浄して表面に存在する自然酸化膜を除去した後、試験体Ｅ１については、ベース部２１上に、低膨張板３、中間板４及び回路基板５をこの順に載置し、被処理物を組み立てた（図示略）。

一方、試験体Ｅ２については、図３に示すように、バリがベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側に突出するようにして、低膨張板３０５、中間板４０５及び回路基板５を順次重ね合わせて被処理物を組み立てた。その後、実施例１と同様の方法により拡散接合を行い、試験体Ｅ１及びＥ２を作製した。

拡散接合後の試験体Ｅ２は、図３に示すように、中間板４０５の外周端縁４１１が裏面金属層５１の外周端縁５１１よりも外方に延出するとともに、低膨張板３０５の外周端縁３１１が中間板４０５の外周端縁４１１よりも外方に延出していた。また、中間板４０５の外周端縁４１１及び低膨張板３０５の外周端縁３１１は、それぞれ、回路基板５側に突出した突出部３１、４１を有していた。

より具体的には、中間板４０５の外周端縁４１１は、裏面金属層５１の外周端縁５１１よりも０．１ｍｍ外方に延出していた。また、低膨張板３０５の外周端縁３１１は、中間板４０５の外周端縁４１１よりも０．１ｍｍ外方に延出していた。また、突出部３１、４１は、プレス打ち抜き加工の際に低膨張板３０５及び中間板４０５の外周端縁３１１、４１１に形成されたバリである。

以上により得られた試験体Ｅ１及びＥ２を用い、実施例１と同様の方法により評価を行った。評価結果は、表８に示した通りであった。

表８に示したように、試験体Ｅ１及びＥ２は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．８５〜２．３倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。さらに、試験体Ｅ２は、図３に示すように、低膨張板３０５及び中間板４０５の突出部３１、４１が、これらの上部に積層される材料と接触することなく、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側に突出している。そのため、試験体Ｅ１に比べて、低膨張板３０５と中間板４０５との隙間及び中間板４０５と裏面金属層５１との隙間を小さくすることができた。以上の結果、試験体Ｅ２は、試験体Ｅ１に比べて冷却性能を向上させることができたと考えられる。

１、１０５ 回路基板付きヒートシンク
２ ヒートシンク本体
２０ 拡散層
２１ ベース部
３、３０５ 低膨張板
３０ 拡散層
４、４０５ 中間板
４０ 拡散層
５ 回路基板
５１ 裏面金属層
５２ セラミックス板
５３ 回路金属層

Claims (11)

1. 平板状を呈するベース部を備えたアルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
   銅材よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に接合された低膨張板と、
   上記低膨張板上に接合されたアルミニウム材よりなる中間板と、
   上記中間板上に配置された回路基板とを有しており、
   上記回路基板は、
   上記中間板上に接合された銅材からなる裏面金属層と、
   上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
   上記セラミックス板上に積層された銅材からなる回路金属層とを有しており、
   上記ベース部と上記低膨張板との接合部、上記低膨張板と上記中間板との接合部及び上記中間板と上記裏面金属層との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層を有している、回路基板付きヒートシンク。
2. 上記中間板は、純度９９．０〜９９．８５％のアルミニウムから構成されている、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。
3. 上記中間板は、６０００系アルミニウム合金から構成されている、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。
4. 上記低膨張板の厚みは、上記セラミックス板の厚みの０．５〜２．０倍である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
5. 上記低膨張板の線膨張係数は、上記セラミックス板の線膨張係数の０．８５〜２．３倍である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
6. 上記ベース部の厚みは、上記回路金属層の厚みの１．０〜１．５倍である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
7. 上記ヒートシンク本体は、６０００系アルミニウム合金から構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
8. 上記低膨張板は、複数の金属層が積層された多層構造を有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
9. 上記中間板の外周端縁は上記裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出しており、上記低膨張板の外周端縁は上記中間板の外周端縁よりも外方に延出しており、上記中間板の外周端縁及び上記低膨張板の外周端縁は、それぞれ、上記回路基板側に突出した突出部を有している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、
    上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
    上記ベース部と、該ベース部上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された上記中間板と、該中間板と上記裏面金属層とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
    上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により隣り合う被接合部材の境界に一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、
    上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
    上記ベース部と、該ベース部上に配置された上記低膨張板と、該低膨張板上に配置された上記中間板と、該中間板上に配置された上記回路基板とを有するとともに、上記ベース部と上記低膨張板との間、上記低膨張板と上記中間板との間及び上記中間板と上記裏面金属層との間のうち少なくとも１か所にインサート金属を介在させた被処理物を組み立て、
    上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法。

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