JP2018163995A - 半導体実装用放熱ベース板及びその製造方法並びに製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体実装用放熱ベース板の金属部分の結晶粒が粗大で異方性の強い柱状晶となるのを抑制し、使用環境下における冷熱サイクルによる放熱ベースの変形を抑制する。【解決手段】凝固冷却工程において、冷却器と接続された冷し金３０を、冷却用開口部２９を介して鋳型２０内部の溶融アルミニウムの液面に接触させると共に、冷し金３０を介して微細な超音波振動を付与する。この時、冷し金３０を溶融アルミニウムの凝固収縮分に応じて押し込むことにより、溶融アルミニウムの冷却温度勾配を制御しながら効率良く固化させることができる。これにより、結晶粒の粗大化が抑制され異方性が緩和された等軸晶の結晶構造を有する放熱ベース１４が形成され、冷熱サイクルによる変形を抑制することが可能な半導体実装用放熱ベース板が得られる。【選択図】図８

Description

本発明は、半導体実装用放熱ベース板、特に、鋳造技術により製造される金属回路層及び放熱ベースを備えた半導体実装用放熱ベース板及びその製造方法並びに製造装置に関する。

パワーモジュール用放熱ベース板として、絶縁セラミックス基板の一方の面にパワー半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に金属からなる放熱ベースが接合された金属−セラミックス接合基板が用いられる。このような半導体実装用放熱ベース板は、パワー半導体に電力を供給する端子等を保持する筐体部品に接着剤で固定されると共に、ボルトやネジ等で締結される。さらに、放熱ベースの放熱面には、金属製の放熱フィンがろう付けにより（あるいは放熱グリースを介して）取り付けられ、パワー半導体直下の放熱性を向上させている。

半導体実装用放熱ベース板の製造方法として、鋳型内に設置された絶縁セラミックス基板の周囲を取り囲むようにアルミニウムを鋳造する溶湯接合が知られている。例えばカーボンからなる鋳型内に配置された絶縁セラミックス基板の周囲に、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属溶湯を流し込み、冷却することにより溶湯が固化し、金属回路層、絶縁セラミックス基板、及び放熱ベースが一体成形される。

溶湯接合による金属−セラミックス接合基板の製造方法の先行例として、特許文献１には、溶湯接合の際に不活性ガス雰囲気中において金属溶湯をセラミックス基板に接触させた後、酸化性ガス雰囲気中において金属溶湯を冷却して固化させることが開示されている。この先行例では、鋳型の消耗を抑制し、寸法精度が良好な金属−セラミックス接合基板を得ることを目的としている。

また、特許文献２には、鋳型に溶湯を注入した後に、鋳型を貫通する冷却水供給用配管に冷却媒体を流すことにより、溶湯を急冷させる方法が開示されている。この先行例では、溶融金属の冷却速度を制御することにより金属組織を制御し、鋳物のじん性を表す延び、衝撃値ならびに疲れ強さ等の材料特性を制御しようとしている。

また、絶縁基板の少なくとも一方の面にアルミニウム−シリコン系のアルミニウム合金層が接合された電子素子搭載用基板においては、アルミニウム合金層内部の金属結晶粒径を制御し結晶粒を微細化することにより、絶縁基板とアルミニウム合金層の接合界面の破断強度を高める技術が知られている。

特許第５４７８１７８号公報 国際公開ＷＯ２０１３／１７２３７５号

特許文献１による鋳造方法では、鋳型底面に接触させた冷却台によって鋳型内の溶湯を一方向から冷却することにより、凝固収縮によるヒケ、割れ等の内部欠陥を抑制する指向性凝固鋳造を行っている。そのため、鋳型外部の雰囲気温度や鋳型温度を鋳型内部の溶湯温度以上に保持した状態で冷却台を接触させており、冷却速度が遅く生産性が低いと言う
課題がある。

また、鋳型内部の鋳造品は、冷却台付近から凝固した金属結晶が成長し続けるため、極めて粗大で異方性の強い柱状晶が形成される。このような結晶組織は、特にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体部品を実装する製品に使用する際、使用環境下における冷熱サイクルで大きく変形するという問題がある。放熱ベース板が反った場合、金属回路層に接合された半導体部品に過大な付加がかかり、半導体部品が破壊される等、様々な不良発生の原因となる。

上記特許文献１の製法を適用し、金属回路層とベース板を構成する金属を純度９９％から９９．９％程度の純アルミニウムで構成した場合、溶湯接合時の湯流れの下流側から指向性凝固が始まり、金属組織が下流から上流へ向かって２ｃｍから３ｃｍを超えて成長することがある。その結果、金属回路層に実装される半導体部品よりも大きい柱状晶組織がベース板の表面に形成される。このような結晶の異方性や結晶粒界の欠陥の発生は、製品使用環境の変化の影響を受けて様々なモードの破壊起点となり、品質劣化の問題となる。

また、特許文献２では、溶湯と熱伝導性の高い冷却水供給用配管（以下、冷し金と称す）を直接接触させているため、冷却効率が高く、内部の欠陥を抑制することができると共に、冷し金付近の結晶粒を微細に形成することが可能である。しかしながら、製品部分を直接冷却するため、製品に冷し金の跡が残るという課題がある。

さらに、特許文献２では、溶湯と冷し金を直接接触させているものの、溶湯の凝固収縮に伴って溶湯と冷し金の接触状態が変化し、冷却効率が変化する。冷却開始時点の熱流速を大きくすることにより、当初の製品内部の冷却温度勾配は大きくなるが、製品の冷し金から遠い部分が凝固する頃には冷却温度勾配は小さくなる。このような冷却効率の変化に対応し、冷却温度勾配を制御することは困難である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、鋳型内部の溶湯を効率良く冷却すると共に冷却温度勾配を制御することができ、結晶粒の粗大化を抑制することが可能な半導体実装用放熱ベース板の製造方法並びに製造装置を提供することを目的とする。

また、結晶粒の粗大化が抑制され金属結晶の異方性が緩和された放熱ベースを備え、使用環境下における冷熱サイクルによる変形を抑制することが可能な半導体実装用放熱ベース板を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体実装用放熱ベース板は、絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板であって、金属回路層及び放熱ベースは純度９９％以上のアルミニウムで構成され、平均結晶粒径５ｍｍ以下の等軸晶の結晶構造を有するものである。

また、本発明に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法は、絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板の製造方法であって、内部に絶縁セラミックス基板を設置する空間、金属回路層及び放熱ベースを形成する空間、及び放熱ベースを形成する空間に対し湯口の反対側に設けられ放熱ベースを形成する空間と連通するオーバーフロー部を有すると共に、オーバーフロー部と外部を連通させる冷却用開口部を有する鋳型と、冷却用開口部の内部形状と相似する外形を有する冷し金とを用意する準備工程と、湯口から鋳型の内部に所定温度まで加熱された金属溶湯を流し込む溶湯供給工程と、鋳型の外部
から冷却用開口部に冷し金を押し込んで金属溶湯の液面に接触させ、金属溶湯の凝固収縮分に応じて冷し金を鋳型の内部に押し込みながら金属溶湯の冷却温度勾配を制御し、金属溶湯を固化させる凝固冷却工程と、鋳型から取り出された半導体実装用放熱ベース板から放熱ベースと一体に形成されたオーバーフロー部跡を除去する除去加工工程を含むものである。

また、本発明に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置は、絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板を製造する製造装置であって、内部に絶縁セラミックス基板を設置する空間、金属回路層及び放熱ベースを形成する空間、及び放熱ベースを形成する空間に対し湯口の反対側に設けられ放熱ベースを形成する空間と連通するオーバーフロー部を有すると共に、オーバーフロー部と外部を連通させる冷却用開口部を有する鋳型と、冷却器に接続され、冷却用開口部の内部形状と相似する外形を有する冷し金と、冷し金を鋳型の内部に所定速度で押し込む冷し金押し込み手段と、湯口から鋳型の内部にアシストガスを送給するガス供給手段を備えたものである。

本発明に係る半導体実装用放熱ベース板によれば、金属回路層及び放熱ベースは純度９９％以上のアルミニウムで構成され、平均結晶粒径５ｍｍ以下の等軸晶の結晶構造を有しているので、使用環境下における冷熱サイクルによる変形を抑制することが可能である。

また、本発明に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法並びに製造装置によれば、鋳型の外部から冷却用開口部を介して冷し金を金属溶湯の液面に接触させ、金属溶湯の凝固収縮分に応じて冷し金を鋳型の内部に押し込むことにより、金属溶湯を効率良く冷却することができると共に、金属溶湯の冷却温度勾配を制御しながら金属溶湯を固化させることができるので、結晶粒の粗大化が抑制され、金属結晶の異方性が緩和された等軸晶の結晶構造を有する金属回路層及び放熱ベースを備えた半導体実装用放熱ベース板を製造することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置を構成する鋳型の組立を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法における溶湯供給工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法における凝固冷却工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板を鋳型から取り出した状態を示す斜視図及び断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板に締結穴加工工程と除去加工工程を実施した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板に回路溝が形成された状態を示す斜視図及び断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板を示す断面図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板及びその製造方法並び
に製造装置について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の構成を示す斜視図、図２は、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置を構成する鋳型の組立を示す断面図である。また、図３は、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法における溶湯供給工程を示す断面図である。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。

本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板１は、図１に示すように、金属回路層１１、絶縁セラミックス基板１２、強度部材１３、及び放熱ベース１４を備えている。絶縁セラミックス基板１２は、一方の面に半導体部品（図示省略）を実装するための金属回路層１１が接合され、他方の面に放熱ベース１４が接合されている。また、放熱ベース１４の内部には、絶縁セラミックス基板１２と対向して強度部材１３が配置されている。さらに、放熱ベース１４の周縁部には、直径３ｍｍ〜８ｍｍのボルト締結穴１５が設けられ、ボルト締結穴１５とその周辺を含む締結部１６が形成される。

金属回路層１１及び放熱ベース１４は、純度９９％以上のアルミニウムで構成され、平均結晶粒径５ｍｍ以下の等軸晶の結晶構造を有するものである。金属回路層１１は例えば厚さ０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ、純度９９％〜９９．９９％のアルミニウム、絶縁セラミックス基板１２は厚さ０．３ｍｍ〜２．０ｍｍの窒化アルミニウム、強度部材１３は絶縁セラミックス基板と同様の窒化アルミニウム、放熱ベース１４は厚さ１ｍｍ〜５ｍｍ、純度９９％〜９９．９９％のアルミニウムである。

絶縁セラミックス基板１２及び強度部材１３は、ドクターブレード法または押出し成形法等によって製造される。ドクターブレード法について簡単に説明する。粉末状のセラミック粉、有機溶媒、可塑剤、及び結合材等の混合物を攪拌混練してスラリー状態で輸送し、底面が回転ロールにつながった熱可塑性プラスチックフィルム（以下フィルムと略す）で構成された浴槽に貯留する。フィルムを連続的に引き出すことにより、浴槽とフィルムの隙間からスラリーが引き延ばされる。この隙間量が板状部材の厚みとなる。

その後、フィルム上のスラリーの有機溶媒分を揮発させてグリーン体を形成し、所定の長さに切断、またはプレス金型等で所定の形状に切り出し、フィルムから剥離する。フィルムから剥離したグリーン体を窒化ホウ素製の治具に固定し、所定温度に昇温、焼成することにより、セラミック板が得られる。また、押出し成形法は、有機溶媒の代わりにプラスチックと窒化アルミニウムを混ぜ合わせたものを加熱し、ダイと呼ばれる金型から一定断面の製品を連続的に押出す加工機で成形する。その後、樹脂及びバインダーの脱脂と焼成工程を経てセラミック板が得られる。

本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置について、図２及び図３を用いて説明する。本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置は、アルミニウム鋳造用の鋳型２０、冷却手段である冷し金３０と冷却器（図示省略）、冷し金押し込み手段及びガス供給手段（いずれも図示省略）を備えている。

鋳型２０の材料としては、連続気孔を有し通気性に優れたグラファイトカーボンが主に使用される。鋳型２０は、放熱面側鋳型２０Ａと回路側鋳型２０Ｂから構成され、その内部には、金属回路層１１を形成する空間である金属回路層形成部２１、絶縁セラミックス基板１２を設置する空間である絶縁セラミックス基板設置部２２、強度部材１３を設置する空間である強度部材設置部２３、放熱ベース１４を形成する空間である放熱ベース形成部２４を有している。

また、鋳型２０は、放熱ベース形成部２４に対し、湯口２６の反対側に設けられたオーバーフロー部２８を有すると共に、オーバーフロー部２８と外部を連通させる冷却用開口
部２９を有している。鋳型２０の内部において、金属回路層形成部２１、放熱ベース形成部２４、及びオーバーフロー部２８は互いに連通しており、湯口２６から流し込まれた金属溶湯（本実施の形態１では溶融アルミニウム）は、湯道２７を通ってそれぞれの空間へ充填される。なお、冷却用開口部２９は、鋳型２０の湯口２６から最も遠い金属溶湯の最終充填箇所に設けられることが望ましく、図３に示す例では、最終充填箇所に近接して設けてられている。

冷却器と接続された冷し金３０は、冷却用開口部２９の内部形状と相似する外形を有しており、冷却用開口部２９にほぼ隙間のない状態で挿入される。冷し金押し込み手段は、冷し金３０を上下移動可能に保持し、冷却用開口部２９に挿入された冷し金３０を鋳型２０の内部に所定速度で押し込む。なお、所定速度とは、溶融アルミニウムの凝固収縮に基づいて予め決定された速度であり、溶融アルミニウムが凝固収縮しても冷し金３０が溶融アルミニウムの液面に接触した状態が保てるように、実験あるいはシミュレーションにより求められている。

冷し金３０は、溶融アルミニウムに接触して溶融アルミニウムの冷却温度勾配を制御するものであり、予め設定された冷却温度勾配となるように冷却器により温度を調整することができる。また、冷し金３０は、ヒケ及びボイドの発生を抑制するため、冷し金押し込み手段により溶融アルミニウムの液面を加圧するように保持されている。冷し金３０に接続される冷却器としては、冷却水または冷却溶媒を循環させる冷却ポンプを用いることができるが、冷却器はこれに限定されるものではない。冷却器は、真空加熱炉の外部に設置される。ガス供給手段は、湯口２６から鋳型２０の内部にアシストガスである窒素ガスを送給する。

次に、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法について、図２から図６を用いて説明する。まず、図２に示すように、内部に金属回路層形成部２１、絶縁セラミックス基板設置部２２、強度部材設置部２３、放熱ベース形成部２４、及びオーバーフロー部２８を有すると共に、オーバーフロー部２８と外部を連通させる冷却用開口部２９を有する鋳型２０と、冷却用開口部２９の内部形状と相似する外形を有する冷し金３０とを用意する（準備工程）。

続いて、溶融アルミニウムとグラファイトカーボン製の鋳型２０の表面が反応するのを防止するために、鋳型２０の湯口２６と湯道２７に離型膜を形成する。離型膜の形成方法としては、例えば窒化ホウ素粉末をジメチルエーテルまたはメチルエチルケトン等の溶媒で希釈したものをスプレー塗装することにより、膜厚１００μｍ以下の離型膜を形成することができる。離型膜の形成後、回路側鋳型２０Ｂの絶縁セラミックス基板設置部２２及び強度部材設置部２３に、絶縁セラミックス基板１２と強度部材１３をそれぞれ設置し、放熱面側鋳型２０Ａを載せる。その後、鋳型２０の両端に型開き防止用のネジ２５を締め込み、型組作業を終了する。

次に、鋳型２０を真空加熱炉（図示省略）に投入し、真空引き、窒素置換を行った後、アルミニウムの溶融温度以上である７００℃程度まで加熱する。続いて、図３に示すように、湯口２６から鋳型２０の内部に、所定温度まで加熱された溶融アルミニウム（図３中、矢印Ａで示す）を流し込む（溶湯供給工程）。この時、溶融アルミニウムの水頭圧だけでは鋳型２０内に十分に行き渡らないため、湯口２６から窒素ガスを送給して与圧しながら充填する。

続いて、図４に示すように、鋳型２０の外部から冷却用開口部２９に冷し金３０を押し込み、冷し金３０を溶融アルミニウムの液面に接触させ、溶融アルミニウムの冷却温度勾配を制御しながら溶融アルミニウムを固化させる（凝固冷却工程）。

鋳型２０の冷却用開口部２９に押し込まれた冷し金３０は、溶融アルミニウムの液面と直に接触し、溶融アルミニウムの凝固潜熱を吸収する。冷却用開口部２９はオーバーフロー部２８を介して放熱ベース形成部２４と接続されており、溶融アルミニウムは、冷却用開口部２９において冷し金３０と接触した液面を冷却開始点として、湯口２６に向かって凝固が進展していく。

このように、冷し金３０を溶融アルミニウムの液面に直接接触させる方法では、冷却経路に鋳型を介する従来方法（特許文献１）に比べ、金属溶湯と鋳型の間、及び鋳型と冷し金の間の接触熱抵抗と鋳型自体の厚み分の熱抵抗が減じる。このため、溶融アルミニウムの冷却速度が速くなり、凝固した後の結晶粒は小さく、ランダムな配向の等軸晶組織となる。

なお、溶融アルミニウムが凝固する際、体積収縮によって半導体実装用放熱ベース板の寸法が鋳型２０よりも小さくなるヒケや、半導体実装用放熱ベース板の内部に凝固による空隙（ボイド）が発生することがある。これらのヒケ及びボイドの発生を抑制するため、冷却開始から溶融アルミニウムが凝固するまでの間、冷し金押し込み手段により溶融アルミニウムの凝固収縮分に応じて冷し金３０を押し込むと共に、ガス供給手段により湯口２６から窒素ガスを送給する。

アルミニウムの凝固が完了し、鋳型２０を室温付近まで冷却した後、鋳型２０からネジ２５を取り外して半導体実装用放熱ベース板を取り出す。図５（ａ）は、鋳型２０から取り出された半導体実装用放熱ベース板を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中、Ｂ−Ｂで示す部分の断面図である。図５に示す半導体実装用放熱ベース板から、放熱ベース１４と一体に形成されたオーバーフロー部跡２８ａ、湯口跡２６ａ、及び湯道跡２７ａ等を除去する（除去加工工程）。

除去加工方法としては、機械加工、プレス加工、レーザ切断、及び超音波切断等が用いられる。さらに、半導体実装用放熱ベース板を他の部品と締結するためのボルト締結穴１５を、放熱ベース１４の四隅に形成する（締結穴加工工程）。なお、ボルト締結穴１５は、機械加工、プレス加工等により形成されるため、締結穴加工工程は除去加工工程と同時に行われる場合がある。図６は、締結穴加工工程は除去加工工程が実施された半導体実装用放熱ベース板を示している。

その後、図７に示すように、金属回路層１１のアルミニウムの一部を薬液処理等で除去することにより、回路溝１７を形成する（回路溝形成工程）。図７（ａ）は、回路溝が形成された半導体実装用放熱ベース板を示す斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）中、Ｃ−Ｃで示す部分の断面図である。これにより、半導体実装用放熱ベース板には、回路溝１７によって分割された複数の金属回路層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ（総称して金属回路層１１）が形成される。

回路溝１７には窒化アルミニウムが露出しており、各々の金属回路層１１との間隙及び金属回路層１１と外周の放熱ベース１４との間隙をもって電気的に絶縁している。図７（ｂ）に示す回路溝１７の絶縁幅Ｗは、半導体実装用放熱ベース板の製品仕様にかかる各々の金属回路層１１Ａ、１１Ｃ相互間と、金属回路層１１Ａ、１１Ｃと放熱ベース１４との間に発生する電位差によって決定される。例えば最大数ｋＶの電位差が発生する回路においては０．５ｍｍから２ｍｍ程度の絶縁幅Ｗが設けられる。

なお、金属回路層１１のアルミニウム厚が絶縁幅Ｗより大きい等、回路溝１７を薬液処理のみで形成することが品質管理上困難な場合は、鋳造工程で予め回路溝１７の一部を形
成してもよい。あるいは、鋳造後から薬液処理工程に至るまでの間にエンドミルを用いたフライス加工をはじめとする機械加工や、イッテルビウム（Ｙｂ）ファイバレーザによる彫りこみ加工等を行い、回路溝１７の絶縁幅Ｗが薬液処理にて除去するアルミニウム厚より大きくなるように加工を施しておいてもよい。

金属回路層１１の一部には、半導体部品２を半田付け可能な金属薄膜１８が設けられ、金属薄膜１８上にペースト半田等が印刷され半田層１９が形成される。金属薄膜１８は、メッキ処理によるニッケル膜、コールドスプレーによる銅膜、あるいはＰＶＤ処理による銅膜あるいはニッケル膜等である。金属回路層１１上には、金属薄膜１８及び半田層１９を介して半導体部品２が接合される。

以上のように、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板の製造方法及び製造装置によれば、冷却器に接続された冷し金３０を、冷却用開口部２９を介して鋳型２０内部の溶融アルミニウムに直に接触させるようにしたので、極めて効率良く金属溶湯を冷却することができ、生産性が向上する。また、冷し金３０を溶融アルミニウムの凝固収縮分に応じて押し込むようにしたので、冷し金３０は鋳型２０内部の溶融アルミニウムに接触した状態が保たれ、溶融アルミニウムの冷却温度勾配を制御しながら固化させることが可能である。

また、溶融アルミニウムの凝固が完了するまでの間、溶融アルミニウムの凝固収縮分に応じて冷し金３０を押し込むと共に、湯口２６から窒素ガスを送給するようにしたので、湯口２６側と冷却用開口部２９側の両側から圧力が加わり、ヒケ及びボイドの発生を抑制することができる。

これらのことから、本実施の形態１に係る半導体実装用放熱ベース板１によれば、純度９９％以上のアルミニウムからなり、結晶粒の粗大化が抑制され、金属結晶の異方性が緩和された平均結晶粒径５ｍｍ以下の等軸晶の結晶構造を有する金属回路層１１及び放熱ベース１４を備えることにより、使用環境下における冷熱サイクルによる変形を抑制することが可能である。

また、放熱ベース１４の締結部１６周辺の結晶粒径が微細であることにより、従来の粗大な結晶粒径の放熱ベース板と比べて高い締結力が得られる。さらに、鋳型２０から取り出された半導体実装用放熱ベース板からオーバーフロー部跡２８ａを除去する際に、冷却用開口部跡２９ａも除去されるため、冷し金の跡が製品に残るという従来の課題が解決される。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体実装用放熱ベース板の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用して説明する。上記実施の形態１では、半導体実装用放熱ベース板１の放熱ベース１４に埋設される強度部材１３として、絶縁セラミックス基板１２と同様の窒化アルミニウムを用いたが、本実施の形態２では、強度部材１３として絶縁セラミックス基板１２と異なる部材を用いる例について説明する。なお、本実施の形態２に係る半導体実装用放熱ベース板１のその他の構成、製造方法、及び製造装置については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

金属回路層１１と接合された絶縁セラミックス基板１２においては、基板材料が各金属回路層のパターン間にあり、その沿面において絶縁性を保つ必要がある。また、放熱ベース１４に対して、半導体部品の動作時に発生する熱を放熱するために、高い熱伝導性が必要とされる。しかし、図１に示す構成の半導体実装用放熱ベース板１においては、強度部材１３が絶縁性部材である必要ない。

絶縁セラミックス基板１２として窒化アルミニウムを用い、金属部分にアルミニウムを用いた半導体実装用放熱ベース板１に用いられる強度部材１３の条件として、線膨張係数及び熱伝導性が窒化アルミニウムと同等であることが挙げられる。特に、放熱ベース１４の冷熱サイクルによる放熱ベース１４全体の反りを抑制する観点から、窒化アルミニウムと同等の線膨張係数であることが重要である。また、窒素雰囲気中の鋳造接合が用いられるため、少なくともアルミニウムとの接合性があり、アルミニウムの溶融温度である７００度程度の温度で物理的性質を損なわず、且つ、化学的に安定な材料が望ましい。

なお、アルミニウムとの接合性が無い部材を用いる場合は、表面加工を施すことによりアルミニウムとの接合性をもたせることができる。例えば、アルミニウムと接合性がないセラミックスを用いる場合、セラミックス表面に、セラミックスとアルミニウムの両方に接合性のある中間層を、高速フレーム溶射、プラズマ溶射、コールドスプレー、イオンプレーティング、溶浸や真空蒸着等の物理的手法、またはメッキ等の化学的手法によって形成することができる。

上記の条件を満たす強度部材１３としては、例えば銅−タングステン合金、銅マトリックス中にタングステン粒子を分散させた複合合金、金属マトリクス中に金属繊維やセラミックス繊維を分散させた複合合金、窒化ガリウム、銅モリブデン、アルミニウム−炭化窒素、炭化窒素、炭化アルミニウム、炭化銅等が挙げられる。

本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、強度部材１３の材料選択の幅が広がり、低コスト化や熱伝導性の向上が可能となる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体実装用放熱ベース板の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１及び図３を流用して説明する。本実施の形態３に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置は、冷し金３０を介して鋳型２０の内部に充填された金属溶湯に超音波振動を付与する超音波発振器（図示省略）を備えている。

この超音波発振器を用い、凝固冷却工程において冷し金３０を介して溶融アルミニウムに超音波振動を付与する。なお、本実施の形態３に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置のその他の構成、及びその他の製造方法については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

溶融アルミニウムが凝固する際に、冷し金３０から一方向に冷却された場合、凝固後の結晶組織に強い異方性を示す柱状晶が形成されることがあり、柱状晶の界面である結晶粒界において大きな凝固欠陥を生じやすいという問題がある。上記実施の形態１では、冷し金３０により溶融アルミニウムの冷却温度勾配を制御しながら固化させることにより、結晶粒の粗大化を抑制し、金属結晶の異方性を緩和している。

本実施の形態３ではさらに、凝固冷却工程において、冷し金３０を一定速度で押し込みながら、押し込み方向と同軸に微細な超音波振動を付与することにより、上記問題を解決している。超音波振動は、柱状晶の成長よりも十分に速くアルミニウム内部を伝播し、凝固時点での結晶成長を乱すため、超音波振動を付与することにより、柱状晶よりも結晶粒が微細な等軸晶組織を形成することができる。等軸晶組織は、個々の結晶粒サイズが微細で結晶方位もそれぞれランダムであるため、結晶粒界における粒界の欠陥も比較的小さく形成される。

本実施の形態３によれば、凝固冷却工程において冷し金３０を介して溶融アルミニウム
に超音波振動を付与することにより、上記実施の形態１よりもさらに結晶粒の粗大化を抑制し金属結晶の異方性を緩和する効果が得られ、アルミニウムで構成された部分のすべての結晶組織が微細な等軸晶である半導体実装用放熱ベース板１が得られる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板の構成を示す断面図である。本実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板は、放熱ベース１４の絶縁セラミックス基板１２との接合面と反対側の面に、放熱フィンとしての複数の円筒状の突起３を有するものである。なお、本実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板のその他の構成は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置を構成する放熱面側鋳型２０Ａ（図３参照）は、放熱ベース形成部２４に隣接して放熱フィンを形成する複数の円筒状の穴（図示省略）を有している。また、各々の穴の側面には、鋳型２０から製品を離型する際の離型性を向上させるため、１度から１０度のテーパがつけられている。従って、放熱ベース１４に形成された各々の突起３の側面にも、１度から１０度のテーパがつけられている。なお、本実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板の製造装置のその他の構成及び製造方法については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態４に係る半導体実装用放熱ベース板は、半導体部品２で発生した熱を放熱ベース１４の突起３から直接冷却媒体へ放熱する形態である。このような構成は、冷却性能に優れているため、放熱フィンの形状を半導体実装用放熱ベース板の製造者と使用者の間で取り決めることができる場合に採用される。

一方、上記実施の形態１では、放熱ベース１４の放熱面側に放熱グリース等を介して放熱フィンを貼り付けることにより、半導体部品２が発する熱を冷却する。このような構成は、半導体実装用放熱ベース板の使用者が任意の放熱フィンを使用する際に採用されるが、半導体部品２で発生した熱を放熱グリースを介して放熱することになるため、熱抵抗が大きく冷却性能において劣る。

本実施の形態４によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、放熱ベース１４に放熱フィンとしての複数の円筒状の突起３を設けることにより、冷却性能の向上が図られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本発明は、半導体実装用放熱ベース板、特にパワーモジュール用放熱ベース板として利用することができる。

１ 半導体実装用放熱ベース板、２ 半導体部品、３ 突起、１１ 金属回路層、１２
絶縁セラミックス基板、１３ 強度部材、１４ 放熱ベース、１５ ボルト締結穴、１６ 締結部、１７ 回路溝、１８ 金属薄膜、１９ 半田層、２０ 鋳型、２０Ａ 放熱面側鋳型、２０Ｂ 回路側鋳型、２１ 金属回路層形成部、２２ 絶縁セラミックス基板設置部、２３ 強度部材設置部、２４ 放熱ベース形成部、２５ ネジ、２６ 湯口、２６ａ 湯口跡、２７ 湯道、２７ａ 湯道跡、２８ オーバーフロー部、２８ａ オーバーフロー部跡、２９ 冷却用開口部、２９ａ 冷却用開口部跡、３０ 冷し金

Claims (12)

1. 絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板であって、
   前記金属回路層及び前記放熱ベースは純度９９％以上のアルミニウムで構成され、平均結晶粒径５ｍｍ以下の等軸晶の結晶構造を有することを特徴とする半導体実装用放熱ベース板。
2. 前記放熱ベースの内部に、前記絶縁セラミックス基板と異なる材料からなり前記絶縁セラミックス基板と線膨張係数が同等の強度部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体実装用放熱ベース板。
3. 前記放熱ベースは、前記絶縁セラミックス基板との接合面と反対側の面に、放熱フィンとしての複数の円筒状の突起を有し、各々の前記突起の側面には１度から１０度のテーパがつけられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体実装用放熱ベース板。
4. 絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板の製造方法であって、
   内部に前記絶縁セラミックス基板を設置する空間、前記金属回路層及び前記放熱ベースを形成する空間、及び前記放熱ベースを形成する空間に対し湯口の反対側に設けられ前記放熱ベースを形成する空間と連通するオーバーフロー部を有すると共に、前記オーバーフロー部と外部を連通させる冷却用開口部を有する鋳型と、前記冷却用開口部の内部形状と相似する外形を有する冷し金とを用意する準備工程、
   前記湯口から前記鋳型の内部に、所定温度まで加熱された金属溶湯を流し込む溶湯供給工程、
   前記鋳型の外部から前記冷却用開口部に前記冷し金を押し込んで金属溶湯の液面に接触させ、金属溶湯の凝固収縮分に応じて前記冷し金を前記鋳型の内部に押し込みながら金属溶湯の冷却温度勾配を制御し、金属溶湯を固化させる凝固冷却工程、及び
   前記鋳型から取り出された半導体実装用放熱ベース板から前記放熱ベースと一体に形成されたオーバーフロー部跡を除去する除去加工工程を含むことを特徴とする半導体実装用放熱ベース板の製造方法。
5. 金属溶湯は、純度９９％以上のアルミニウムであることを特徴とする請求項４記載の半導体実装用放熱ベース板の製造方法。
6. 前記凝固冷却工程において、前記冷し金を介して金属溶湯に超音波振動を付与することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体実装用放熱ベース板の製造方法。
7. 前記凝固冷却工程において、前記湯口から前記鋳型の内部にアシストガスを送給することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の半導体実装用放熱ベース板の製造方法。
8. 絶縁セラミックス基板の一方の面に半導体部品を実装するための金属回路層が接合され、他方の面に放熱ベースが接合された半導体実装用放熱ベース板を製造する製造装置であって、
   内部に前記絶縁セラミックス基板を設置する空間、前記金属回路層及び前記放熱ベースを形成する空間、及び前記放熱ベースを形成する空間に対し湯口の反対側に設けられ前記放熱ベースを形成する空間と連通するオーバーフロー部を有すると共に、前記オーバーフロー部と外部を連通させる冷却用開口部を有する鋳型、
   冷却器に接続され、前記冷却用開口部の内部形状と相似する外形を有する冷し金、
   前記冷し金を前記鋳型の内部に所定速度で押し込む冷し金押し込み手段、及び
   前記湯口から前記鋳型の内部にアシストガスを送給するガス供給手段を備えたことを特徴とする半導体実装用放熱ベース板の製造装置。
9. 前記冷し金を介して前記鋳型の内部に充填された金属溶湯に超音波振動を付与する超音波発振器を備えたことを特徴とする請求項８記載の半導体実装用放熱ベース板の製造装置。
10. 前記鋳型は、グラファイトを含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体実装用放熱ベース板の製造装置。
11. 前記鋳型は、前記放熱ベースを形成する空間に隣接して放熱フィンを形成する複数の円筒状の穴を有し、各々の前記穴の側面には１度から１０度のテーパがつけられていることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体実装用放熱ベース板の製造方法。
12. 前記冷却用開口部は、前記鋳型の前記湯口から最も遠い金属溶湯の最終充填箇所に設けられていることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の半導体実装用放熱ベース板の製造装置。

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