ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール
【課題】電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁基板１１の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２が形成されるとともに絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０と、金属層１３側に接合されるヒートシンク３０と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、 ヒートシンク３０は、金属層１３に接合される天板部３１を有しており、この天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とする。
【解決手段】絶縁基板１１の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２が形成されるとともに絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０と、金属層１３側に接合されるヒートシンク３０と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、 ヒートシンク３０は、金属層１３に接合される天板部３１を有しており、この天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この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パワーモジュール用基板が提案されている。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、通常、例えば特許文献１の図１に示すように、パワーモジュール用基板が放熱板に接合され、この放熱板がヒートシンクの上面にグリースを介して積層固定されていた。
【特許文献１】特開２００１−１４８４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、熱を効率的にヒートシンク側へと放散することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、特許文献１の図１に示すようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、放熱板とヒートシンクとの間にグリースが介在しているため、このグリースが熱抵抗となって熱を効率的に放散することができない。
そこで、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板をヒートシンクの天板部に直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
【０００５】
しかしながら、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、ヒートシンクの天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、ヒートシンク付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際には、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、パワーモジュール用基板に反り変形が生じるおそれがあった。また、熱応力によってセラミックス基板自体が破損したり、金属板（回路層及び金属層）とセラミックス基板との間で剥離が生じたりしてしまうおそれがあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール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】
【０００７】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されるとともに前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクは、前記金属層に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴としている。
【０００８】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクの天板部に、直接、パワーモジュール用基板が接合されているので、パワーモジュール用基板に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク側に向けて効率良く放散することが可能となる。
さらに、絶縁基板の他方の面に金属層が形成されているので、この金属層によって熱応力を吸収することができる。
【０００９】
また、天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されているので、天板部の熱膨張係数は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された従来のヒートシンク（天板部）に比べて小さくなり、パワーモジュール用基板との熱膨張係数の差が小さく、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。さらに、このアルミニウム基複合材料は、熱伝導性の高い炭素質部材を有しているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていてもよい。
この場合、アルミニウム基複合材料中のアルミニウムが、例えばＡｌ−Ｓｉ等のろう材の融点よりも高くなることから、天板部とパワーモジュール用基板の金属層とをろう付けによって接合することができる。
【００１１】
また、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていてもよい。
この場合、ヒートシンクの天板部とパワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で前記融点以上に加熱することにより、アルミニウム基複合材料（天板部）中のアルミニウム合金が溶融または半溶融し、ヒートシンクの天板部とパワーモジュール用基板とを接合することが可能となる。
【００１２】
さらに、前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクの天板部が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保されているので、熱サイクル信頼性を向上させることができるとともに熱の放散をさらに促進することができる。
【００１３】
また、前記天板部のうち前記金属層側に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、天板部とパワーモジュール用基板とが、スキン層を介して接合されることになる。ここで、パワーモジュール用基板の金属層と天板部とがアルミニウム同士の接合となるため、パワーモジュール用基板と天板部とを強固に接合することが可能となる。また、スキン層が比較的変形抵抗の小さなアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、熱応力をスキン層で吸収することができ、熱サイクル信頼性をさらに向上させることが可能となる。
【００１４】
ここで、前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記スキン層の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層において熱応力を確実に吸収することができる。また、前記スキン層の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層の平均厚さｔｓを０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．６ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。
【００１５】
また、前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
純度９９％以上のアルミニウム、いわゆる純アルミニウムは、比較的軟らかく応力を吸収しやすいため、前記スキン層を純度９９％以上のアルミニウムで構成することによって、スキン層において熱応力を確実に吸収することができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層を、純度９９．９％以上あるいは純度９９．９９％以上の高純度アルミニウムで構成することが好ましい。
【００１６】
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、電子部品から発生する熱を効率良くヒートシンク側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００１９】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２０】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。
【００２１】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２３の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を用いている。
【００２２】
ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部３１と、この天板部３１の下面側に立設された複数のフィン３２とを備えている。
そして、ヒートシンク３０の天板部３１は、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されている。
【００２３】
ここで、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は、セラミックス基板１１の熱膨張係数よりも大きく、かつ、アルミニウムの熱膨張係数よりも小さく設定されている。より具体的には、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数は、約４．５ｐｐｍ／Ｋとされ、アルミニウムの熱膨張係数は、約２３．５ｐｐｍ／Ｋとされており、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度とされている。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱伝導率は３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とされており、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くされている。
【００２４】
そして、図１及び図２に示すように、ヒートシンク３０の天板部３１のうちパワーモジュール用基板１０側部分には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層３３が形成されている。
このスキン層３３の平均厚さｔｓは、天板部３１全体の厚さｔｂに対して、０．０３×ｔｂ≦ｔｓ≦０．２０×ｔｂの範囲内とされており、より具体的には、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２５】
ここで、本実施形態では、天板部３１は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述のスキン層３３は、天板部３１に充填された純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されている。なお、本実施形態では、後述するように、ろう材箔３４を介して天板部３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを接合していることから、スキン層３３の一部において、ろう材箔３４の成分元素であるＳｉの拡散によって純度が９９．９８％未満となる。
【００２６】
このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、以下のようにして製造される。
【００２７】
まず、パワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）がろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）がろう材箔２５を介して積層される。
このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧（０．１〜０．３ＭＰａ）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融して凝固させる。
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、前述のパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００２８】
次に、ヒートシンク３０の天板部３１の製造方法について説明する。
図４に示すように、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板３５を準備し、この黒鉛板３５の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板３６、３６を配設し、この挟持板３６と黒鉛板３５とを、ステンレス製の押圧板３７，３７によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．９８％以上の溶融アルミニウムを黒鉛板３５に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム基複合材料を得る。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板３５の表面に滲み出してアルミニウム層３８が形成される。このアルミニウム層３８に切削加工を施してスキン層３３の厚さを調整することにより、前述の天板部３１が製出される。
【００２９】
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法について説明する。
図５に示すように、スキン層３３を有するヒートシンク３０の天板部３１の上に、ろう材箔３４を介して、パワーモジュール用基板１０を積層する。これを積層方向に加圧した状態で加熱してろう材箔３４を溶融させた後に冷却して凝固させ、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０の天板部３１を接合することにより、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０が製造される。
【００３０】
このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、回路層１２の表面に半導体チップ３がはんだによって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール１として使用される。
【００３１】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク３０の天板部３１に、直接、パワーモジュール用基板１０が接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク３０側に向けて効率良く放散することが可能となる。
【００３２】
また、天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、天板部３１の熱膨張係数が６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度であって、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数（約４．５ｐｐｍ／Ｋ）との差が小さいので、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、熱伝導性の高い炭素質部材を有しており、その熱伝導率が３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くなっているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することができる。
【００３３】
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、炭素質部材に純度９９．９８％以上のアルミニウムが充填されたものとされているので、本実施形態のようにＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔３４を使用しても、充填されたアルミニウムが溶け出すことがなく、天板部３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とをろう付けによって接合することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）を充填したものであり、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされているので、天板部３１が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保され、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱の放散を促進することができるとともに熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、天板部３１のうち金属層１３側部分に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）からなるスキン層３３が形成されているので、天板部３１と金属層１３とが、スキン層３３を介して接合されることになり、パワーモジュール用基板１０と天板部３１とを強固に接合することができる。
また、スキン層３３が、比較的変形抵抗の低いアルミニウムで構成されているので、熱膨張係数が異なる天板部３１とパワーモジュール用基板１０との間の熱応力を、スキン層３３によって吸収することができる。これにより、熱サイクルが負荷された際の熱変形や反りが抑えられ、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
ここで、スキン層３３の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層３３において熱応力を確実に吸収することができる。また、スキン層３３の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。
【００３７】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されているので、図３に示すようにパワーモジュール用基板１０を製造した際に、反りの発生を抑制することができる。さらに、金属層１３によって熱応力を吸収することもできる。
【００３８】
このように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール１によれば、半導体チップ３から発生する熱を効率良くヒートシンク３０側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について図６、図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１３０の天板部１３１の構成が第１の実施形態と異なっている。
【００４０】
本実施形態における天板部１３１には、図６に示すように、パワーモジュール用基板１０側（金属層１３側）にスキン層が形成されていない。
また、天板部１３１は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、融点が６００℃以下のアルミニウム合金（本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ合金）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上がＡｌ−Ｓｉ合金によって置換され、このＡｌ−Ｓｉ合金の含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
【００４１】
次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０の製造方法について説明する。
図７に示すように、天板部１３１の上面に、パワーモジュール用基板１０（金属層１３）を直接積層する。なお、天板部１３１の外面のうち、パワーモジュール用基板１０（金属層１３）が積層される面以外の部分には、天板部１３１中のＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しによる溶着を防止するために、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末を塗布しておく。
【００４２】
これを積層方向に加圧（０．１５〜３．０ＭＰａ）した状態で５００〜６２０℃まで加熱する。すると、天板部１３１中に充填されているＡｌ−Ｓｉ合金の一部が表面に滲み出してきて、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と天板部１３１とが接合されることになる。このとき、天板部１３１の外面のうちパワーモジュール用基板１０（金属層１３）が積層される面以外の部分からのＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しは、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末によって抑制される。このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０が製出される。
【００４３】
以上のような構成とされた第２の本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０及びヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１３０の天板部１３１に、直接、パワーモジュール用基板１０が接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク１３０側に向けて効率良く放散することが可能となる。
また、前述のように、ろう材箔を用いることなく天板部１３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを接合することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１の実施形態において、スキン層を備えた天板部をろう材箔を介して接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有していない天板部をろう付けによって接合してもよい。
一方、第２の実施形態において、スキン層を有していない天板部をろう材を使用せずに接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有する天板部をろう材を使用せずに接合してもよい。この場合、スキン層の一部が溶融又は半溶融して金属層と天板部とが接合されることになる。
【００４５】
また、炭素質部材として、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス（黒鉛部材）を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等で構成された炭素質部材であってもよい。
【００４６】
さらに、第２の実施形態において、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に充填する融点が６００℃以下のアルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金等の他のアルミニウム合金を用いても良い。
【００４７】
また、スキン層を、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されたアルミニウム又はアルミニウム合金を滲み出させて形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図８に示すように、天板部３３１を形成する際に、黒鉛板３３５とともにアルミニウム又はアルミニウム合金の板材３３９を挟持板３３６，３３６の間に挟みこんで、スキン層３３３を形成してもよい。この場合、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されるアルミニウム又はアルミニウム合金と異なる組成のスキン層を形成することが可能となる。
【００４８】
さらに、一つのヒートシンク（天板部）の上に一つの緩衝層が配設され、一つの緩衝層の上に一つのパワーモジュール用基板が配設されたものを図示して説明したが、これに限定されることはなく、図９に示すように、一つのヒートシンク４３０（天板部４３１）の上に複数のパワーモジュール用基板１０が配設されていてもよい。
【００４９】
また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
さらに、回路層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等で構成されていてもよい。
【００５０】
さらに、ヒートシンクとして天板部にフィンを立設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の拡大説明図である。
【図３】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられたパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図４】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の製造方法を示す説明図である。
【図５】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図７】図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図８】天板部の製造方法の他の例を示す説明図である。
【図９】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１ ヒートシンク付パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
３０、１３０、４３０ ヒートシンク
３１、１３１、３３１、４３１ 天板部
３３、１３３、３３３ スキン層
５０、１５０、４５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この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パワーモジュール用基板が提案されている。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、通常、例えば特許文献１の図１に示すように、パワーモジュール用基板が放熱板に接合され、この放熱板がヒートシンクの上面にグリースを介して積層固定されていた。
【特許文献１】特開２００１−１４８４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、熱を効率的にヒートシンク側へと放散することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、特許文献１の図１に示すようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、放熱板とヒートシンクとの間にグリースが介在しているため、このグリースが熱抵抗となって熱を効率的に放散することができない。
そこで、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板をヒートシンクの天板部に直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
【０００５】
しかしながら、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、ヒートシンクの天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、ヒートシンク付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際には、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、パワーモジュール用基板に反り変形が生じるおそれがあった。また、熱応力によってセラミックス基板自体が破損したり、金属板（回路層及び金属層）とセラミックス基板との間で剥離が生じたりしてしまうおそれがあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール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】
【０００７】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されるとともに前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクは、前記金属層に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴としている。
【０００８】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクの天板部に、直接、パワーモジュール用基板が接合されているので、パワーモジュール用基板に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク側に向けて効率良く放散することが可能となる。
さらに、絶縁基板の他方の面に金属層が形成されているので、この金属層によって熱応力を吸収することができる。
【０００９】
また、天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されているので、天板部の熱膨張係数は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された従来のヒートシンク（天板部）に比べて小さくなり、パワーモジュール用基板との熱膨張係数の差が小さく、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。さらに、このアルミニウム基複合材料は、熱伝導性の高い炭素質部材を有しているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていてもよい。
この場合、アルミニウム基複合材料中のアルミニウムが、例えばＡｌ−Ｓｉ等のろう材の融点よりも高くなることから、天板部とパワーモジュール用基板の金属層とをろう付けによって接合することができる。
【００１１】
また、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていてもよい。
この場合、ヒートシンクの天板部とパワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で前記融点以上に加熱することにより、アルミニウム基複合材料（天板部）中のアルミニウム合金が溶融または半溶融し、ヒートシンクの天板部とパワーモジュール用基板とを接合することが可能となる。
【００１２】
さらに、前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクの天板部が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保されているので、熱サイクル信頼性を向上させることができるとともに熱の放散をさらに促進することができる。
【００１３】
また、前記天板部のうち前記金属層側に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、天板部とパワーモジュール用基板とが、スキン層を介して接合されることになる。ここで、パワーモジュール用基板の金属層と天板部とがアルミニウム同士の接合となるため、パワーモジュール用基板と天板部とを強固に接合することが可能となる。また、スキン層が比較的変形抵抗の小さなアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、熱応力をスキン層で吸収することができ、熱サイクル信頼性をさらに向上させることが可能となる。
【００１４】
ここで、前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記スキン層の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層において熱応力を確実に吸収することができる。また、前記スキン層の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層の平均厚さｔｓを０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．６ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。
【００１５】
また、前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
純度９９％以上のアルミニウム、いわゆる純アルミニウムは、比較的軟らかく応力を吸収しやすいため、前記スキン層を純度９９％以上のアルミニウムで構成することによって、スキン層において熱応力を確実に吸収することができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層を、純度９９．９％以上あるいは純度９９．９９％以上の高純度アルミニウムで構成することが好ましい。
【００１６】
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、電子部品から発生する熱を効率良くヒートシンク側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００１９】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２０】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。
【００２１】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２３の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を用いている。
【００２２】
ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部３１と、この天板部３１の下面側に立設された複数のフィン３２とを備えている。
そして、ヒートシンク３０の天板部３１は、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されている。
【００２３】
ここで、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は、セラミックス基板１１の熱膨張係数よりも大きく、かつ、アルミニウムの熱膨張係数よりも小さく設定されている。より具体的には、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数は、約４．５ｐｐｍ／Ｋとされ、アルミニウムの熱膨張係数は、約２３．５ｐｐｍ／Ｋとされており、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度とされている。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱伝導率は３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とされており、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くされている。
【００２４】
そして、図１及び図２に示すように、ヒートシンク３０の天板部３１のうちパワーモジュール用基板１０側部分には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層３３が形成されている。
このスキン層３３の平均厚さｔｓは、天板部３１全体の厚さｔｂに対して、０．０３×ｔｂ≦ｔｓ≦０．２０×ｔｂの範囲内とされており、より具体的には、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２５】
ここで、本実施形態では、天板部３１は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述のスキン層３３は、天板部３１に充填された純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されている。なお、本実施形態では、後述するように、ろう材箔３４を介して天板部３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを接合していることから、スキン層３３の一部において、ろう材箔３４の成分元素であるＳｉの拡散によって純度が９９．９８％未満となる。
【００２６】
このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、以下のようにして製造される。
【００２７】
まず、パワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）がろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）がろう材箔２５を介して積層される。
このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧（０．１〜０．３ＭＰａ）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融して凝固させる。
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、前述のパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００２８】
次に、ヒートシンク３０の天板部３１の製造方法について説明する。
図４に示すように、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板３５を準備し、この黒鉛板３５の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板３６、３６を配設し、この挟持板３６と黒鉛板３５とを、ステンレス製の押圧板３７，３７によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．９８％以上の溶融アルミニウムを黒鉛板３５に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム基複合材料を得る。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板３５の表面に滲み出してアルミニウム層３８が形成される。このアルミニウム層３８に切削加工を施してスキン層３３の厚さを調整することにより、前述の天板部３１が製出される。
【００２９】
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法について説明する。
図５に示すように、スキン層３３を有するヒートシンク３０の天板部３１の上に、ろう材箔３４を介して、パワーモジュール用基板１０を積層する。これを積層方向に加圧した状態で加熱してろう材箔３４を溶融させた後に冷却して凝固させ、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０の天板部３１を接合することにより、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０が製造される。
【００３０】
このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、回路層１２の表面に半導体チップ３がはんだによって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール１として使用される。
【００３１】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク３０の天板部３１に、直接、パワーモジュール用基板１０が接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク３０側に向けて効率良く放散することが可能となる。
【００３２】
また、天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、天板部３１の熱膨張係数が６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度であって、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数（約４．５ｐｐｍ／Ｋ）との差が小さいので、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、熱伝導性の高い炭素質部材を有しており、その熱伝導率が３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くなっているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することができる。
【００３３】
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、炭素質部材に純度９９．９８％以上のアルミニウムが充填されたものとされているので、本実施形態のようにＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔３４を使用しても、充填されたアルミニウムが溶け出すことがなく、天板部３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とをろう付けによって接合することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）を充填したものであり、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされているので、天板部３１が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保され、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱の放散を促進することができるとともに熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、天板部３１のうち金属層１３側部分に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）からなるスキン層３３が形成されているので、天板部３１と金属層１３とが、スキン層３３を介して接合されることになり、パワーモジュール用基板１０と天板部３１とを強固に接合することができる。
また、スキン層３３が、比較的変形抵抗の低いアルミニウムで構成されているので、熱膨張係数が異なる天板部３１とパワーモジュール用基板１０との間の熱応力を、スキン層３３によって吸収することができる。これにより、熱サイクルが負荷された際の熱変形や反りが抑えられ、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
ここで、スキン層３３の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層３３において熱応力を確実に吸収することができる。また、スキン層３３の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。
【００３７】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されているので、図３に示すようにパワーモジュール用基板１０を製造した際に、反りの発生を抑制することができる。さらに、金属層１３によって熱応力を吸収することもできる。
【００３８】
このように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール１によれば、半導体チップ３から発生する熱を効率良くヒートシンク３０側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について図６、図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１３０の天板部１３１の構成が第１の実施形態と異なっている。
【００４０】
本実施形態における天板部１３１には、図６に示すように、パワーモジュール用基板１０側（金属層１３側）にスキン層が形成されていない。
また、天板部１３１は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、融点が６００℃以下のアルミニウム合金（本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ合金）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上がＡｌ−Ｓｉ合金によって置換され、このＡｌ−Ｓｉ合金の含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
【００４１】
次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０の製造方法について説明する。
図７に示すように、天板部１３１の上面に、パワーモジュール用基板１０（金属層１３）を直接積層する。なお、天板部１３１の外面のうち、パワーモジュール用基板１０（金属層１３）が積層される面以外の部分には、天板部１３１中のＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しによる溶着を防止するために、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末を塗布しておく。
【００４２】
これを積層方向に加圧（０．１５〜３．０ＭＰａ）した状態で５００〜６２０℃まで加熱する。すると、天板部１３１中に充填されているＡｌ−Ｓｉ合金の一部が表面に滲み出してきて、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と天板部１３１とが接合されることになる。このとき、天板部１３１の外面のうちパワーモジュール用基板１０（金属層１３）が積層される面以外の部分からのＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しは、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末によって抑制される。このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０が製出される。
【００４３】
以上のような構成とされた第２の本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０及びヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１３０の天板部１３１に、直接、パワーモジュール用基板１０が接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク１３０側に向けて効率良く放散することが可能となる。
また、前述のように、ろう材箔を用いることなく天板部１３１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを接合することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１の実施形態において、スキン層を備えた天板部をろう材箔を介して接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有していない天板部をろう付けによって接合してもよい。
一方、第２の実施形態において、スキン層を有していない天板部をろう材を使用せずに接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有する天板部をろう材を使用せずに接合してもよい。この場合、スキン層の一部が溶融又は半溶融して金属層と天板部とが接合されることになる。
【００４５】
また、炭素質部材として、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス（黒鉛部材）を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等で構成された炭素質部材であってもよい。
【００４６】
さらに、第２の実施形態において、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に充填する融点が６００℃以下のアルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金等の他のアルミニウム合金を用いても良い。
【００４７】
また、スキン層を、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されたアルミニウム又はアルミニウム合金を滲み出させて形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図８に示すように、天板部３３１を形成する際に、黒鉛板３３５とともにアルミニウム又はアルミニウム合金の板材３３９を挟持板３３６，３３６の間に挟みこんで、スキン層３３３を形成してもよい。この場合、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されるアルミニウム又はアルミニウム合金と異なる組成のスキン層を形成することが可能となる。
【００４８】
さらに、一つのヒートシンク（天板部）の上に一つの緩衝層が配設され、一つの緩衝層の上に一つのパワーモジュール用基板が配設されたものを図示して説明したが、これに限定されることはなく、図９に示すように、一つのヒートシンク４３０（天板部４３１）の上に複数のパワーモジュール用基板１０が配設されていてもよい。
【００４９】
また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
さらに、回路層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等で構成されていてもよい。
【００５０】
さらに、ヒートシンクとして天板部にフィンを立設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の拡大説明図である。
【図３】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられたパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図４】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の製造方法を示す説明図である。
【図５】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図７】図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【図８】天板部の製造方法の他の例を示す説明図である。
【図９】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１ ヒートシンク付パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
３０、１３０、４３０ ヒートシンク
３１、１３１、３３１、４３１ 天板部
３３、１３３、３３３ スキン層
５０、１５０、４５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されるとともに前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記天板部のうち前記金属層側には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【請求項１】
絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されるとともに前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記ヒートシンクは、前記金属層に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記天板部のうち前記金属層側には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−９８０６０（Ｐ２０１０−９８０６０Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６６５１１（Ｐ２００８−２６６５１１）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]