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公開番号2025133206
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-11
出願番号2024031011
出願日2024-03-01
発明の名称放熱構造体の製造方法
出願人DOWAホールディングス株式会社,国立大学法人大阪大学
代理人個人
主分類H01L 23/12 20060101AFI20250904BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】金属-セラミックス接合基板の金属ベース板と金属放熱板との接合面積が大きい放熱構造体の金属ベース板と金属放熱板との接合面をめっきすることなく、接合の際の加熱温度が従来より低温でも、金属ベース板と金属放熱板を互いに十分な接合強度で接合する放熱構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金の金属放熱板18の一方の面をブラスト処理することで粗面化する表面処理をした後、金属放熱板の一方の面の互いに離間した複数の塗布領域に銀ペーストを塗布し、セラミックス基板10の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金の金属回路板12が接合するとともに他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金の金属ベース板14を当接させるように配置し、その後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層16を形成し、銀接合層によって金属ベース板を金属放熱板の一方の面に接合することで放熱構造体を製造する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合するとともに他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板の一方の面が接合した金属－セラミックス接合基板を用意するとともに、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属放熱板を用意し、この金属放熱板の一方の面をブラスト処理により粗面化する表面処理をした後、金属放熱板の一方の面の互いに離間した複数の塗布領域に銀ペーストを塗布し、この銀ペースト上に金属ベース板の他方の面を当接させるように金属ベース板を配置し、その後、銀ペースト中の銀を焼結させて銀接合層を形成し、この銀接合層によって金属ベース板を金属放熱板の一方の面に接合することを特徴とする、放熱構造体の製造方法。
続きを表示（約 840 文字）【請求項２】
前記複数の塗布領域の各々が、前記金属放熱板の一方の面に前記銀ペーストを塗布しない非塗布領域に囲まれていることを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項３】
前記非塗布領域が、前記金属放熱板の一方の面に格子状に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項４】
前記複数の塗布領域の各々が、矩形の領域であることを特徴とする、請求項３に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項５】
前記ブラスト処理により、前記金属放熱板の一方の面の算術平均粗さＲａを１．７μｍ以上にすることを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項６】
前記ブラスト処理により、前記金属放熱板の一方の面の十点平均粗さＲｚを８μｍ以上にすることを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項７】
前記焼結が、前記金属放熱板に対して前記第２の金属を加圧しながら加熱することによって行われることを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項８】
前記加熱が４００℃未満の温度で行われることを特徴とする、請求項７に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項９】
前記加熱が、６０℃以上１２０℃未満の温度で加熱する第１の加熱工程と、１２０℃以上１９０℃未満の温度で加熱する第２の加熱工程と、１９０℃以上３００℃未満の温度で加熱する第３の加熱工程と、３００℃以上４００℃未満の温度で加熱する第４の加熱工程とからなることを特徴とする、請求項７に記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記ブラスト処理の前処理として、前記金属放熱板の一方の面を水酸化ナトリウム水溶液で化学研磨することを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱構造体の製造方法に関し、特に、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合するとともに他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板の一方の面が接合し、この金属ベース板の他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属放熱板が接合した放熱構造体の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために使用されているパワーモジュールなどの発熱量の大きい半導体装置では、セラミックス基板の一方の面に（パワー半導体素子などの半導体素子を搭載する）回路用金属板が接合し、他方の面に（ヒートシンクなどの放熱部材を取り付ける）金属ベース板が接合した金属－セラミックス接合基板が使用されている。
【０００３】
このような金属－セラミックス接合基板にヒートシンクなどの放熱部材が取り付けられた放熱構造体を製造する方法として、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されているとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の金属層の絶縁基板とは反対側の面およびヒートシンクのうちの少なくとも一方の表面に、平均粒径が０．１μｍ以上１μｍ以下の範囲内の銀粒子を７０質量％以上９５質量％以下の範囲内の量で含むペースト状接合材組成物の層を形成し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをペースト状接合材組成物の層を介して積層し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層方向に１ＭＰａ以下の圧力下において１５０℃以上３００℃以下の温度で加熱することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、セラミックス板の表面に板状のＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ系金属部材が接合されている絶縁基板と、ＡｌまたはＡｌ合金からなる放熱ベース板とを、ＭｇＭ＝（Ｍｇ１＋Ｍｇ２）／２（ここで、Ｍｇ１はＡｌ系金属部材のＭｇ含有量（質量％）、Ｍｇ２は放熱ベース板のＭｇ含有量（質量％）である）で表される平均Ｍｇ含有量ＭｇＭが０．２～１．５質量％となる組み合わせで用意し、絶縁基板のＡｌ系金属部材と放熱ベース板の間に銀シートを挟んで、Ａｌ系金属部材と銀シートと放熱ベース板とが積層した積層体を形成し、この積層体のＡｌ系金属部材と放熱ベース板の間の積層方向の圧縮応力が１．０～１０．０ＭＰａとなる状態とし、その積層体を不活性ガス雰囲気下または１．３×１０
－２
Ｐａ以下の真空下において最高到達温度が４００～６００℃となるように加熱することにより、Ａｌ系金属部材と放熱ベース板との間に、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉの合計含有量に占める質量割合で、Ａｌ：５．０～２０．０質量％、Ｍｇ：０．１～２．０質量％、Ｓｉ：１．０質量％以下、残部がＡｇである組成を有するＡｇ－Ａｌ系合金相が７０体積％以上含まれる板状のＡｇリッチ層を形成させ、Ａｌ系金属部材と放熱ベース板とを、Ａｇリッチ層を介して接合させることにより、放熱構造体を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１９－８７６０７号公報（段落番号００１１）
特開２０２３－３５７１４号公報（段落番号００１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、パワー半導体素子の小型化が進み、パワー半導体素子から発生する熱による発熱密度が上昇しており、熱の広がりを利用して冷却するために、パワーモジュール用の金属－セラミックス接合基板の金属ベース板の（金属放熱板を接合する面の）面積を２０ｍｍ×２０ｍｍ以上に大きくすることが求められている。
【０００７】
しかし、従来のパワーモジュール用の金属－セラミックス接合基板の金属ベース板の（金属放熱板を接合する面の）面積を２０ｍｍ×２０ｍｍ以上に大きくすると、金属ベース板と金属放熱板との間の十分な接合強度（シェア強度）を得られないという問題があった。
【０００８】
例えば、特許文献１の方法では、接合層（ペースト状接合材組成物の層）を介してヒートシンクを接合する絶縁基板の金属層の面積を大きくすると、ヒートシンクと接合層との間の十分な接合力を得られない場合があり、十分な接合力を得るために、ヒートシンクの天板部の表面に銀めっき層または金めっき層を設ける必要がある。そのため、銀めっきや金めっきのような貴金属めっきが必要になるとともに、めっき工程が必要になり、製造コストが高くなる。
【０００９】
また、特許文献２の方法では、Ａｌ系金属部材と銀シートと放熱ベース板の積層体を最高到達温度が４００～６００℃になるように高温に加熱する必要があるため、銀シートを介して放熱ベース板を接合するＡｌ系金属部材の面積を大きくすると、Ａｌ系金属部材と放熱ベース板との熱膨張差が大きくなって、放熱構造体の反りが大きくなり、パワーモジュールなどのアセンブリが困難になる場合がある。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属－セラミックス接合基板の金属ベース板と金属放熱板との接合面積が大きい放熱構造体の金属ベース板と金属放熱板との接合面をめっきすることなく、接合の際の加熱温度が従来より低温でも、金属ベース板と金属放熱板を互いに十分な接合強度で接合することができる、放熱構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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