絶縁回路基板およびパワーモジュール
【課題】 高い接合信頼性を具備させる。
【解決手段】 絶縁板１１と、該絶縁板１１の一方の表面に接合された回路層１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された放熱体１６とが備えられ、回路層１２の表面に発熱体３０が接合される構成とされ、絶縁板１１はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、回路層１２は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、放熱体１６は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされている。
【解決手段】 絶縁板１１と、該絶縁板１１の一方の表面に接合された回路層１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された放熱体１６とが備えられ、回路層１２の表面に発熱体３０が接合される構成とされ、絶縁板１１はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、回路層１２は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、放熱体１６は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールに好適な絶縁回路基板およびパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の絶縁回路基板としては、例えば下記特許文献１に示されるような、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板と、該金属板の裏面側にはんだ層を介して接合されるとともに、Ｃｕ若しくはＡｌ等により形成された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面にはんだ層を介して発熱体としての例えばＳｉチップ等が搭載される構成が知られている。以下、絶縁回路基板に発熱体が備えられた構成をパワーモジュールという。
【特許文献１】特開平４−１２５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年では、前記絶縁回路基板が搭載される製品に対して高い品質が要求されるようになっており、該要求の高まりに伴い、前記絶縁回路基板においては、該基板の前記各構成要素同士の高い接合信頼性が要求されるようになっている。
【０００４】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、高い接合信頼性を具備させることができる絶縁回路基板および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】
【０００５】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の絶縁回路基板は、絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面に発熱体が接合される構成とされ、前記絶縁板はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、前記回路層は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、前記放熱体は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のパワーモジュールは、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁回路基板における前記回路層の表面に発熱体が接合されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、絶縁板の前記他方の表面に、金属板を介さずに直接前記放熱体が接合されているので、絶縁回路基板全体の接合界面数を減少させることが可能になり、絶縁回路基板の積層方向における熱抵抗を低減させること、つまり熱伝導性を向上させることが可能になる。したがって、前記回路層の表面に搭載される発熱体の熱を前記放熱体まで良好に伝導させることが可能になり、絶縁回路基板に発熱体が搭載されてなるパワーモジュールの使用時に、発熱体の熱が絶縁回路基板に蓄熱されることを抑制することが可能になる。これにより、絶縁回路基板を構成する前記絶縁板を始めとする各構成要素の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入ったりすることを抑制することが可能になり、高い接合信頼性を有する絶縁回路基板およびパワーモジュールを提供することができる。
【０００８】
特に、放熱体の縦弾性係数、熱伝導率、および熱膨張係数が前記範囲に設定されているので、放熱体に直接絶縁板を接合しても、これらの間の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入る等といった不具合の発生を防ぐことが可能になる。
すなわち、放熱体の縦弾性係数を前記範囲とすることにより、この放熱体に高い曲げ剛性を具備させることが可能になり、放熱体と絶縁板との熱膨張係数差によりこれらに曲げ変形が発生しようとしても、放熱体が該曲げに対して抗することができる。
【０００９】
また、放熱体の熱膨張係数を前記範囲とすることにより、放熱体の熱膨張係数を絶縁板の熱膨張係数に近づけることが可能になり、絶縁回路基板が温度が変動する環境下に置かれたときに、放熱体および絶縁板の熱膨張係数差に起因した絶縁回路基板の曲げの発生を最小限に抑えることができる。
さらに、放熱体の熱伝導率を前記範囲とすることにより、発熱体から受けた熱を外部に確実に放散させることが可能になり、当該発熱体の温度を過度に上昇させることなく所定値以下に維持することができる。
【００１０】
ここで、前記放熱体は、低熱膨張板の表裏面に、該低熱膨張板より高い熱膨張係数の放熱体本体が配設された構成とされるとともに、前記低熱膨張板の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、前記放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされていることが望ましい。
【００１１】
この場合、放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされているので、この放熱体が低熱膨張板を有する構成であるにもかかわらず、この放熱体の熱伝導率の低下を抑制することができる。したがって、低熱膨張性および高熱伝導性を兼ね備えた放熱体を得ることができる。これにより、放熱体に絶縁板を直接接合して得られた絶縁回路基板が、温度が変動する環境下に置かれた場合においても、放熱体と絶縁板との接合部に亀裂が入り易い、あるいは剥離し易い等といった不具合の発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前述の放熱体に代えて、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体を備えさせ、該放熱体本体の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、当該放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材を配設し、該孔埋め材が、前記放熱体本体の表裏面の一部を構成するようにしてもよい。
この場合においても、放熱体に低熱膨張性および高熱伝導性の双方を具備させることが可能になり、前記亀裂や剥離の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、この発明の一実施の形態について説明する。
本実施形態のパワーモジュール１０は、絶縁回路基板２０と、該絶縁回路基板２０の一方の表面側に設けられた半導体チップ（発熱体）３０と、絶縁回路基板２０の他方の表面側に設けられた冷却シンク部３１とを備えている。
【００１４】
絶縁回路基板２０は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成された絶縁板１１と、該絶縁板１１の一方の表面に接合された回路層１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された放熱体１６とが備えられている。回路層１２は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、その表面には図示されないＮｉメッキ層が形成されている。放熱体１６は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされている。放熱体１６と絶縁板１１とは、溶射（例えばプラズマ溶射）や後述する形成方法により直接接合されている。なお、絶縁板１１を形成する材質として、Ａｌ２Ｏ３の他にＺｒＯ２を含有させてなるものを採用してもよい。
【００１５】
半導体チップ３０は、前記Ｎｉメッキ層が形成された回路層１２の表面に、はんだ層１４を介して接合されている。冷却シンク部３１は、その表面と放熱体１６の裏面における全面とが当接した状態で、例えば図示されないボルトにより放熱体１６と締結されて、パワーモジュール１０が構成されている。
【００１６】
なお、冷却シンク部３１の内部には、冷却液や冷却空気などの冷媒３２を供給および回収する図示されない冷媒循環手段と連結された流通孔３１ａが形成されている。この流通孔３１ａ内に供給された冷媒３２により、半導体チップ３０から放熱体１６に伝導された熱を回収することによって、半導体チップ３０からの熱をパワーモジュール１０から放散させるようになっている。
【００１７】
ここで、本実施形態の放熱体１６は、低熱膨張板１８の表裏面に、該低熱膨張板１８より高い熱膨張係数の放熱体本体１７、１７が配設された構成とされるとともに、低熱膨張板１８の厚さ方向に貫通する貫通孔１９内に、放熱体本体１７、１７より熱伝導率の高い孔埋め材２１が配設され、放熱体本体１７、１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とがろう付けされた構成とされている。
【００１８】
本実施形態では、放熱体本体１７、１７は純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、若しくはＣｕ合金、好ましくは回路層１２と同一の材質により形成され、低熱膨張板１８はＦｅ−Ｎｉ系合金により形成され、また孔埋め材２１は、放熱体本体１７、１７を形成する材質より熱伝導率の高い材質により形成されている。本実施形態では、放熱体本体１７として、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕ系合金若しくはＮｉ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金を採用し、孔埋め材２１として、純Ｃｕを採用した。
また、低熱膨張板１８の厚さＡは、放熱体本体１７の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下とされている。
【００１９】
ここで、低熱膨張板１８を形成するＦｅ−Ｎｉ系合金としては特にインバー合金（熱膨張係数が約２．０×１０−６／℃以下）が好ましい。このインバー合金は、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。ただし、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２０】
また、放熱体本体１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とを接合するろう材として、本実施形態では、ＪＩＳ Ｚ ３２６１に規定されるＡｇ−Ｃｕ系のろう材を採用した。
以上のような構成とされた放熱体１６は、全体として、積層方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされる。
【００２１】
ここで、低熱膨張板１８には、図２に示すように、平面視６角形状とされた貫通孔１９が複数穿設され、これらの貫通孔１９内に、放熱体本体１７より熱伝導率の高い孔埋め材２１が、該貫通孔１９の内周面と接触した状態で配設されている。また、これらの孔埋め材２１と放熱体本体１７とは、ろう付けにより互いが接触した状態とされている。以上により、低熱膨張板１８の表裏面に配設された放熱体本体１７、１７同士が孔埋め材２１を介して、放熱体１６の積層方向に熱的に接続された構成とされている。
【００２２】
また、貫通孔１９は、図２に示すように、低熱膨張板１８の表面のうち、絶縁板１１と対応する領域Ｘにおける占有面積比が、この対応領域Ｘの周辺領域Ｙにおける占有面積比より小さくされている。その大きさは、具体的には、絶縁板１１等の材質や大きさ、半導体チップ３０の発熱量等により決定されるが、本実施形態においては、前記対応領域Ｘには、低熱膨張板１８の表面積の約３０％以上５０％以下を占有して貫通孔１９が形成され、前記周辺領域Ｙには、低熱膨張板１８の表面積の約４０％以上７０％以下を占有して貫通孔１９が形成されている。
【００２３】
なお、貫通孔１９を平面視６角形状とすることにより、低熱膨張板１８の表面上における前記各領域Ｘ、Ｙごとで、各貫通孔１９同士の間隔を略一定とすることができ、これらの領域Ｘ、Ｙごとで、低熱膨張板１８の表面に沿った方向において、熱伝導率の均一化を実現できるようになっている。
また、貫通孔１９の開口端部は、図３に示すように、この開口端から貫通方向に向うに従い漸次縮径されるとともに、径方向内方に向って凸とされた凸曲面部１９ａとされ、この凹曲面部１９ａの表面を含めた貫通孔１９の内面の略全域に、孔埋め材２１が接触された構成とされている。
【００２４】
ここで、放熱体１６の製造方法について説明する。
まず、低熱膨張板１８のうち、対応領域Ｘと周辺領域Ｙとで占有面積比を異ならせて貫通孔１９を複数穿設するとともに、これらの各貫通孔１９の空間体積より大きい体積の孔埋め材２１を純Ａｌにより形成する。この孔埋め材２１としては、例えば図４に示すようないわゆるリベット形状がある。
【００２５】
この孔埋め材２１を貫通孔１９に嵌合した状態で、低熱膨張板１８の厚さ方向に加圧することにより、孔埋め材２１を貫通孔１９内に圧入し、これにより、貫通孔１９の内部に孔埋め材２１が配設される。この際、孔埋め材２１は、貫通孔１９の空間体積より大きい体積で形成されているので、この孔埋め材２１の過大体積分は、貫通孔１９の径方向外方へ流動し、貫通孔１９の内周面と密接するとともに、貫通孔１９の凸曲面部１９ａの表面上にも流動し、これにより、凹曲面部１９ａの表面を含めた貫通孔１９の内側の全域に孔埋め材２１が行き渡ることになる。
【００２６】
その後、この低熱膨張板１８の表裏面の略全面に図示しないろう材または箔を載置し、さらに、このろう材または箔の表面に放熱体本体１７を載置した後に、加熱状態でこれらを積層方向に加圧することによって、ろう付けにより放熱体本体１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とを接合し、放熱体１６を形成する。
【００２７】
ここで、絶縁板１１と放熱体１６とを接合する方法としては、前述の溶射の他に、絶縁板１１が配設される放熱体本体１７の表面に、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする粒子（以下、単に「Ａｌ２Ｏ３粒子」という）を高速で所定時間衝突させ続け、破砕等された前記Ａｌ２Ｏ３粒子からなる層を形成し、該層を絶縁板１１とする。すなわち、この加工の当初において放熱体本体１７の前記表面に衝突した前記Ａｌ２Ｏ３粒子は、変形や破砕された状態で、放熱体本体１７の前記表面に食い込み、該食い込んだ前記Ａｌ２Ｏ３粒子にさらに別の前記Ａｌ２Ｏ３粒子が衝突することにより、該別の前記Ａｌ２Ｏ３粒子が破砕され、これが継続されることにより、徐々に厚さを有する緻密質のＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質からなる層、つまり絶縁板１１が形成される。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態に係る絶縁回路基板２０およびパワーモジュール１０によれば、絶縁板１１の裏面に、金属板を介さずに直接放熱体１６が接合されているので、絶縁回路基板２０全体の接合界面数を減少させることが可能になり、絶縁回路基板２０の積層方向における熱抵抗を低減させること、つまり熱伝導性を向上させることが可能になる。したがって、回路層１２の表面に搭載される半導体チップ３０の熱を放熱体１６まで良好に伝導させることが可能になり、絶縁回路基板２０に半導体チップ３０が搭載されてなるパワーモジュール１０の使用時に、半導体チップ３０の熱が絶縁回路基板２０に蓄熱されることを抑制することが可能になる。これにより、絶縁回路基板２０を構成する絶縁板１１を始めとする各構成要素の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入ったりすることを抑制することが可能になり、高い接合信頼性を有する絶縁回路基板２０およびパワーモジュール１０を提供することができる。
【００２９】
特に、放熱体１６の縦弾性係数、熱伝導率、および熱膨張係数が前記範囲に設定されているので、放熱体１６に直接絶縁板１１を接合しても、これらの間の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入る等といった不具合の発生を防ぐことが可能になる。
【００３０】
すなわち、放熱体１６の縦弾性係数を前記範囲とすることにより、この放熱体１６に高い曲げ剛性を具備させることが可能になり、放熱体１６と絶縁板１１との熱膨張係数差によりこれらに曲げ変形が発生しようとしても、放熱体１６が該曲げに対して抗することができる。
具体的には、縦弾性係数が１２００００ＭＰａより小さくなると、前記曲げに対して抗する十分な剛性を具備させることができず、前述した作用効果を奏することができず、また、縦弾性係数を４０００００ＭＰａより大きくすると、低熱膨張板１８の貫通孔１９の占有面積を小さくせざるを得ず、放熱体１６に５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を具備させることができなくなる。
【００３１】
また、放熱体１６の熱膨張係数を前記範囲とすることにより、放熱体１６の熱膨張係数を絶縁板１１の熱膨張係数に近づけることが可能になり、絶縁回路基板２０が温度が変動する環境下に置かれたときに、放熱体１６および絶縁板１１の熱膨張係数差に起因した絶縁回路基板２０の曲げの発生を最小限に抑えることができる。
具体的には、熱膨張係数が前記範囲外になると、パワーモジュール１０の使用時に作用する温度サイクルによって、大きな内部応力が発生し、当該放熱体１６が破損するおそれがある。
【００３２】
さらに、放熱体１６の熱伝導率を前記範囲とすることにより、半導体チップ３０から受けた熱を外部に確実に放散させることが可能になり、当該半導体チップ３０の温度を過度に上昇させることなく所定値以下に維持することができる。
具体的には、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋより小さくなると、半導体チップ３０からの熱が外部へ放散され難くなり、前述した作用効果を奏することができず、また、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きくすると、低熱膨張板１８における貫通孔１９の占有面積を大きくせざるを得ず、放熱体１６に１２００００ＭＰａ以上のヤング率を具備させることができなくなる。
【００３３】
さらに、放熱体本体１７、１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とがろう付けされているので、この放熱体１６が低熱膨張板１８を有する構成であるにもかかわらず、この放熱体１６の熱伝導率の低下を抑制することができる。したがって、低熱膨張性および高熱伝導性を兼ね備えた放熱体１６が得られ、放熱体１６に絶縁板１１を直接接合して得られた絶縁回路基板２０が、温度が変動する環境下に置かれた場合においても、放熱体１６と絶縁板１１との接合部に亀裂が入り易い、あるいは剥離し易い等といった不具合の発生を抑制することができる。
【００３４】
ここで、前述した作用効果についての検証試験を、シミュレーションにより実施した。実施例として、放熱体１６全体の厚さを１．０ｍｍ、絶縁板１１の厚さを０．１０ｍｍとしたパワーモジュール１０を採用し、該パワーモジュール１０を雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−４０℃から１２５℃に５分から１０分間で上昇させ、１２５℃から−４０℃に５分から１０分間で下降させる温度履歴を１サイクルとした３０００サイクルの温度サイクルをパワーモジュール１０に負荷したときに、絶縁板１１に発生する内部応力をシミュレートした。
比較例として、図１に示す放熱体１６に代えて、熱膨張係数が約１１．５×１０−６／℃とされたＦｅにより形成された放熱体を有するパワーモジュールを採用し、前記と同様に温度サイクル下に置いた。
【００３５】
結果、絶縁板に発生する内部応力が、実施例では、約３０．２ＭＰａであったのに対し、比較例では、約２８４ＭＰａであることが確認された。つまり、本実施形態のパワーモジュール１０では、絶縁板１１に作用する熱応力が低減できることが確認された。
【００３６】
次に、絶縁回路基板およびパワーモジュールの他の実施形態について、図５に従い説明する。この実施形態と、図１で示した前記一実施の形態との異なる点は、放熱体の構成のみであるので、図５には、放熱体のみを示し、他の構成要素についての図示は省略している。
【００３７】
本実施形態の放熱体５６は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体５７を備え、該放熱体本体５７の厚さ方向に貫通する貫通孔５８内に、当該放熱体本体５７より熱伝導率の高い孔埋め材５９が配設され、該孔埋め材５９が、放熱体本体５７の表裏面の一部を構成している。孔埋め材５９は、例えばＡｕ、Ａｇ、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、貫通孔５８の内周面と接合されるとともに、放熱体本体５７の表裏面における貫通孔５８の開口面と面一か、若しくは該開口面から１００μｍ以下だけ突き出されている。これにより、パワーモジュール１０の構成において、絶縁板１１の配設された位置に設けられた孔埋め材５９が絶縁板１１および冷却シンク部３１の双方に接触するようになっている。
【００３８】
次に、本実施形態の放熱体５６の製造方法について説明する。
まず、放熱体本体５７がグリーンシートの状態のときに、プレスにより貫通孔５８を形成し、その後、該グリーンシートを焼成して、放熱体本体５７を形成する。次に、Ａｕ、Ａｇ、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる金属ペーストを、例えばスクリーン印刷法を適用したり、注入することによって、貫通孔５８内に充填し、その後、該金属ペーストを焼成し焼結体に形成して、孔埋め材５９を形成する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る絶縁回路基板およびパワーモジュールにおいても、図１で示した前記一実施の形態で述べたのと略同様の作用効果を奏することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態のパワーモジュールについての検証試験を、シミュレーションにより実施した。実施例として、放熱体本体５７をＡｌ２Ｏ３により形成し、孔埋め材５９を純Ａｌにより形成し、放熱体５６全体の厚さを１．０ｍｍ、絶縁板１１の厚さを０．１０ｍｍとしたパワーモジュールを採用し、該パワーモジュールを雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−４０℃から１２５℃に５分から１０分間で上昇させ、１２５℃から−４０℃に 分間で下降させる温度履歴を１サイクルとした３０００サイクルの温度サイクルをパワーモジュールに負荷したときに、絶縁板１１に発生する内部応力をシミュレートした。
比較例として、図１に示す放熱体１６に代えて、熱膨張係数が約１１．５×１０−６／℃とされたＦｅにより形成された放熱体を有するパワーモジュールを採用し、前記と同様に温度サイクル下に置いた。
【００４１】
結果、絶縁板に発生する内部応力が、実施例では、約２４ＭＰａであったのに対し、比較例では、約２８４ＭＰａであることが確認された。つまり、本実施形態のパワーモジュールでは、絶縁板１１に作用する熱応力が低減できることが確認された。
【００４２】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、前記一実施の形態では、図１に示すように、放熱体１６を３層構造とした構成を示したが、単層であってもよく、また前述した材質に限定されるものでもない。例えば、図１に示す３層構造において、低熱膨張板１８をタングステン（Ｗ）により形成してもよい。さらに、放熱体１６全体をモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、またはＣｕ−Ｗ系合金等により形成し、放熱体１６を単層構造としてもよい。
【００４３】
また、前記一実施の形態においては、リベット形状の孔埋め材２１を圧入により貫通孔１９内に配設したが、粉末材料を貫通孔１９内に充填し、その後、この粉末材料を加圧加熱して焼結させるようにしてもよい。また、低熱膨張板１８の貫通孔１９の形状は、図２に示す６角形状に限らず、例えば円形状であってもよく、その形状は限定されるものではない。
【００４４】
さらに、前記他の実施形態における放熱体本体５７に貫通孔５８を形成する方法として、前記のようにグリーンシートに貫通孔５８を形成するのに代えて、貫通孔５８が形成される前の前記グリーンシートを焼成した後に、レーザー加工を施して貫通孔５８を穿設するようにしてもよい。
また、孔埋め材５９を純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成する場合は、前記金属ペーストを貫通孔５８に充填するのに代えて、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる溶湯を貫通孔５８に充填した後に、該溶湯を硬化させることにより、孔埋め材５９を形成することも可能である。ここで、このように溶湯を貫通孔５８に注入すると、溶湯が貫通孔５８から溢れ出て、この溶湯を硬化させることにより、放熱体本体５７の表面に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる厚さ約１００μｍの純Ａｌ若しくはＡｌ合金膜が形成されることとなる。したがって、この純Ａｌ若しくはＡｌ合金膜に陽極酸化処理を施して、アルマイト膜にすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
高い接合信頼性を具備させることができる絶縁回路基板およびパワーモジュールを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の一実施の形態に係る絶縁回路基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示す低熱膨張板の平面図である。
【図３】図１に示す放熱体の拡大断面側面図である。
【図４】図１に示す放熱体を製造する製造工程において、孔埋め材を圧入する工程を示す拡大断面側面図である。
【図５】この発明の他の実施形態に係る絶縁回路基板の有する放熱体の一部拡大断面側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ パワーモジュール
１１ 絶縁板
１６、５６ 放熱体
１７、５７ 放熱体本体
１８ 低熱膨張板
１９、５８ 貫通孔
１９ａ 凸曲面部
２０ 絶縁回路基板
２１、５９ 孔埋め材
３０ 半導体チップ（発熱体）
Ｘ 対応領域
Ｙ 周辺領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールに好適な絶縁回路基板およびパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の絶縁回路基板としては、例えば下記特許文献１に示されるような、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板と、該金属板の裏面側にはんだ層を介して接合されるとともに、Ｃｕ若しくはＡｌ等により形成された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面にはんだ層を介して発熱体としての例えばＳｉチップ等が搭載される構成が知られている。以下、絶縁回路基板に発熱体が備えられた構成をパワーモジュールという。
【特許文献１】特開平４−１２５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年では、前記絶縁回路基板が搭載される製品に対して高い品質が要求されるようになっており、該要求の高まりに伴い、前記絶縁回路基板においては、該基板の前記各構成要素同士の高い接合信頼性が要求されるようになっている。
【０００４】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、高い接合信頼性を具備させることができる絶縁回路基板および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】
【０００５】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の絶縁回路基板は、絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面に発熱体が接合される構成とされ、前記絶縁板はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、前記回路層は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、前記放熱体は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明のパワーモジュールは、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁回路基板における前記回路層の表面に発熱体が接合されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、絶縁板の前記他方の表面に、金属板を介さずに直接前記放熱体が接合されているので、絶縁回路基板全体の接合界面数を減少させることが可能になり、絶縁回路基板の積層方向における熱抵抗を低減させること、つまり熱伝導性を向上させることが可能になる。したがって、前記回路層の表面に搭載される発熱体の熱を前記放熱体まで良好に伝導させることが可能になり、絶縁回路基板に発熱体が搭載されてなるパワーモジュールの使用時に、発熱体の熱が絶縁回路基板に蓄熱されることを抑制することが可能になる。これにより、絶縁回路基板を構成する前記絶縁板を始めとする各構成要素の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入ったりすることを抑制することが可能になり、高い接合信頼性を有する絶縁回路基板およびパワーモジュールを提供することができる。
【０００８】
特に、放熱体の縦弾性係数、熱伝導率、および熱膨張係数が前記範囲に設定されているので、放熱体に直接絶縁板を接合しても、これらの間の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入る等といった不具合の発生を防ぐことが可能になる。
すなわち、放熱体の縦弾性係数を前記範囲とすることにより、この放熱体に高い曲げ剛性を具備させることが可能になり、放熱体と絶縁板との熱膨張係数差によりこれらに曲げ変形が発生しようとしても、放熱体が該曲げに対して抗することができる。
【０００９】
また、放熱体の熱膨張係数を前記範囲とすることにより、放熱体の熱膨張係数を絶縁板の熱膨張係数に近づけることが可能になり、絶縁回路基板が温度が変動する環境下に置かれたときに、放熱体および絶縁板の熱膨張係数差に起因した絶縁回路基板の曲げの発生を最小限に抑えることができる。
さらに、放熱体の熱伝導率を前記範囲とすることにより、発熱体から受けた熱を外部に確実に放散させることが可能になり、当該発熱体の温度を過度に上昇させることなく所定値以下に維持することができる。
【００１０】
ここで、前記放熱体は、低熱膨張板の表裏面に、該低熱膨張板より高い熱膨張係数の放熱体本体が配設された構成とされるとともに、前記低熱膨張板の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、前記放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされていることが望ましい。
【００１１】
この場合、放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされているので、この放熱体が低熱膨張板を有する構成であるにもかかわらず、この放熱体の熱伝導率の低下を抑制することができる。したがって、低熱膨張性および高熱伝導性を兼ね備えた放熱体を得ることができる。これにより、放熱体に絶縁板を直接接合して得られた絶縁回路基板が、温度が変動する環境下に置かれた場合においても、放熱体と絶縁板との接合部に亀裂が入り易い、あるいは剥離し易い等といった不具合の発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前述の放熱体に代えて、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体を備えさせ、該放熱体本体の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、当該放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材を配設し、該孔埋め材が、前記放熱体本体の表裏面の一部を構成するようにしてもよい。
この場合においても、放熱体に低熱膨張性および高熱伝導性の双方を具備させることが可能になり、前記亀裂や剥離の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、この発明の一実施の形態について説明する。
本実施形態のパワーモジュール１０は、絶縁回路基板２０と、該絶縁回路基板２０の一方の表面側に設けられた半導体チップ（発熱体）３０と、絶縁回路基板２０の他方の表面側に設けられた冷却シンク部３１とを備えている。
【００１４】
絶縁回路基板２０は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成された絶縁板１１と、該絶縁板１１の一方の表面に接合された回路層１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された放熱体１６とが備えられている。回路層１２は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、その表面には図示されないＮｉメッキ層が形成されている。放熱体１６は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされている。放熱体１６と絶縁板１１とは、溶射（例えばプラズマ溶射）や後述する形成方法により直接接合されている。なお、絶縁板１１を形成する材質として、Ａｌ２Ｏ３の他にＺｒＯ２を含有させてなるものを採用してもよい。
【００１５】
半導体チップ３０は、前記Ｎｉメッキ層が形成された回路層１２の表面に、はんだ層１４を介して接合されている。冷却シンク部３１は、その表面と放熱体１６の裏面における全面とが当接した状態で、例えば図示されないボルトにより放熱体１６と締結されて、パワーモジュール１０が構成されている。
【００１６】
なお、冷却シンク部３１の内部には、冷却液や冷却空気などの冷媒３２を供給および回収する図示されない冷媒循環手段と連結された流通孔３１ａが形成されている。この流通孔３１ａ内に供給された冷媒３２により、半導体チップ３０から放熱体１６に伝導された熱を回収することによって、半導体チップ３０からの熱をパワーモジュール１０から放散させるようになっている。
【００１７】
ここで、本実施形態の放熱体１６は、低熱膨張板１８の表裏面に、該低熱膨張板１８より高い熱膨張係数の放熱体本体１７、１７が配設された構成とされるとともに、低熱膨張板１８の厚さ方向に貫通する貫通孔１９内に、放熱体本体１７、１７より熱伝導率の高い孔埋め材２１が配設され、放熱体本体１７、１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とがろう付けされた構成とされている。
【００１８】
本実施形態では、放熱体本体１７、１７は純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、若しくはＣｕ合金、好ましくは回路層１２と同一の材質により形成され、低熱膨張板１８はＦｅ−Ｎｉ系合金により形成され、また孔埋め材２１は、放熱体本体１７、１７を形成する材質より熱伝導率の高い材質により形成されている。本実施形態では、放熱体本体１７として、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕ系合金若しくはＮｉ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金を採用し、孔埋め材２１として、純Ｃｕを採用した。
また、低熱膨張板１８の厚さＡは、放熱体本体１７の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下とされている。
【００１９】
ここで、低熱膨張板１８を形成するＦｅ−Ｎｉ系合金としては特にインバー合金（熱膨張係数が約２．０×１０−６／℃以下）が好ましい。このインバー合金は、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。ただし、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２０】
また、放熱体本体１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とを接合するろう材として、本実施形態では、ＪＩＳ Ｚ ３２６１に規定されるＡｇ−Ｃｕ系のろう材を採用した。
以上のような構成とされた放熱体１６は、全体として、積層方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされる。
【００２１】
ここで、低熱膨張板１８には、図２に示すように、平面視６角形状とされた貫通孔１９が複数穿設され、これらの貫通孔１９内に、放熱体本体１７より熱伝導率の高い孔埋め材２１が、該貫通孔１９の内周面と接触した状態で配設されている。また、これらの孔埋め材２１と放熱体本体１７とは、ろう付けにより互いが接触した状態とされている。以上により、低熱膨張板１８の表裏面に配設された放熱体本体１７、１７同士が孔埋め材２１を介して、放熱体１６の積層方向に熱的に接続された構成とされている。
【００２２】
また、貫通孔１９は、図２に示すように、低熱膨張板１８の表面のうち、絶縁板１１と対応する領域Ｘにおける占有面積比が、この対応領域Ｘの周辺領域Ｙにおける占有面積比より小さくされている。その大きさは、具体的には、絶縁板１１等の材質や大きさ、半導体チップ３０の発熱量等により決定されるが、本実施形態においては、前記対応領域Ｘには、低熱膨張板１８の表面積の約３０％以上５０％以下を占有して貫通孔１９が形成され、前記周辺領域Ｙには、低熱膨張板１８の表面積の約４０％以上７０％以下を占有して貫通孔１９が形成されている。
【００２３】
なお、貫通孔１９を平面視６角形状とすることにより、低熱膨張板１８の表面上における前記各領域Ｘ、Ｙごとで、各貫通孔１９同士の間隔を略一定とすることができ、これらの領域Ｘ、Ｙごとで、低熱膨張板１８の表面に沿った方向において、熱伝導率の均一化を実現できるようになっている。
また、貫通孔１９の開口端部は、図３に示すように、この開口端から貫通方向に向うに従い漸次縮径されるとともに、径方向内方に向って凸とされた凸曲面部１９ａとされ、この凹曲面部１９ａの表面を含めた貫通孔１９の内面の略全域に、孔埋め材２１が接触された構成とされている。
【００２４】
ここで、放熱体１６の製造方法について説明する。
まず、低熱膨張板１８のうち、対応領域Ｘと周辺領域Ｙとで占有面積比を異ならせて貫通孔１９を複数穿設するとともに、これらの各貫通孔１９の空間体積より大きい体積の孔埋め材２１を純Ａｌにより形成する。この孔埋め材２１としては、例えば図４に示すようないわゆるリベット形状がある。
【００２５】
この孔埋め材２１を貫通孔１９に嵌合した状態で、低熱膨張板１８の厚さ方向に加圧することにより、孔埋め材２１を貫通孔１９内に圧入し、これにより、貫通孔１９の内部に孔埋め材２１が配設される。この際、孔埋め材２１は、貫通孔１９の空間体積より大きい体積で形成されているので、この孔埋め材２１の過大体積分は、貫通孔１９の径方向外方へ流動し、貫通孔１９の内周面と密接するとともに、貫通孔１９の凸曲面部１９ａの表面上にも流動し、これにより、凹曲面部１９ａの表面を含めた貫通孔１９の内側の全域に孔埋め材２１が行き渡ることになる。
【００２６】
その後、この低熱膨張板１８の表裏面の略全面に図示しないろう材または箔を載置し、さらに、このろう材または箔の表面に放熱体本体１７を載置した後に、加熱状態でこれらを積層方向に加圧することによって、ろう付けにより放熱体本体１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とを接合し、放熱体１６を形成する。
【００２７】
ここで、絶縁板１１と放熱体１６とを接合する方法としては、前述の溶射の他に、絶縁板１１が配設される放熱体本体１７の表面に、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする粒子（以下、単に「Ａｌ２Ｏ３粒子」という）を高速で所定時間衝突させ続け、破砕等された前記Ａｌ２Ｏ３粒子からなる層を形成し、該層を絶縁板１１とする。すなわち、この加工の当初において放熱体本体１７の前記表面に衝突した前記Ａｌ２Ｏ３粒子は、変形や破砕された状態で、放熱体本体１７の前記表面に食い込み、該食い込んだ前記Ａｌ２Ｏ３粒子にさらに別の前記Ａｌ２Ｏ３粒子が衝突することにより、該別の前記Ａｌ２Ｏ３粒子が破砕され、これが継続されることにより、徐々に厚さを有する緻密質のＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質からなる層、つまり絶縁板１１が形成される。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態に係る絶縁回路基板２０およびパワーモジュール１０によれば、絶縁板１１の裏面に、金属板を介さずに直接放熱体１６が接合されているので、絶縁回路基板２０全体の接合界面数を減少させることが可能になり、絶縁回路基板２０の積層方向における熱抵抗を低減させること、つまり熱伝導性を向上させることが可能になる。したがって、回路層１２の表面に搭載される半導体チップ３０の熱を放熱体１６まで良好に伝導させることが可能になり、絶縁回路基板２０に半導体チップ３０が搭載されてなるパワーモジュール１０の使用時に、半導体チップ３０の熱が絶縁回路基板２０に蓄熱されることを抑制することが可能になる。これにより、絶縁回路基板２０を構成する絶縁板１１を始めとする各構成要素の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入ったりすることを抑制することが可能になり、高い接合信頼性を有する絶縁回路基板２０およびパワーモジュール１０を提供することができる。
【００２９】
特に、放熱体１６の縦弾性係数、熱伝導率、および熱膨張係数が前記範囲に設定されているので、放熱体１６に直接絶縁板１１を接合しても、これらの間の接合界面が剥離したり、あるいは接合部に亀裂が入る等といった不具合の発生を防ぐことが可能になる。
【００３０】
すなわち、放熱体１６の縦弾性係数を前記範囲とすることにより、この放熱体１６に高い曲げ剛性を具備させることが可能になり、放熱体１６と絶縁板１１との熱膨張係数差によりこれらに曲げ変形が発生しようとしても、放熱体１６が該曲げに対して抗することができる。
具体的には、縦弾性係数が１２００００ＭＰａより小さくなると、前記曲げに対して抗する十分な剛性を具備させることができず、前述した作用効果を奏することができず、また、縦弾性係数を４０００００ＭＰａより大きくすると、低熱膨張板１８の貫通孔１９の占有面積を小さくせざるを得ず、放熱体１６に５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を具備させることができなくなる。
【００３１】
また、放熱体１６の熱膨張係数を前記範囲とすることにより、放熱体１６の熱膨張係数を絶縁板１１の熱膨張係数に近づけることが可能になり、絶縁回路基板２０が温度が変動する環境下に置かれたときに、放熱体１６および絶縁板１１の熱膨張係数差に起因した絶縁回路基板２０の曲げの発生を最小限に抑えることができる。
具体的には、熱膨張係数が前記範囲外になると、パワーモジュール１０の使用時に作用する温度サイクルによって、大きな内部応力が発生し、当該放熱体１６が破損するおそれがある。
【００３２】
さらに、放熱体１６の熱伝導率を前記範囲とすることにより、半導体チップ３０から受けた熱を外部に確実に放散させることが可能になり、当該半導体チップ３０の温度を過度に上昇させることなく所定値以下に維持することができる。
具体的には、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋより小さくなると、半導体チップ３０からの熱が外部へ放散され難くなり、前述した作用効果を奏することができず、また、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋより大きくすると、低熱膨張板１８における貫通孔１９の占有面積を大きくせざるを得ず、放熱体１６に１２００００ＭＰａ以上のヤング率を具備させることができなくなる。
【００３３】
さらに、放熱体本体１７、１７と、低熱膨張板１８および孔埋め材２１とがろう付けされているので、この放熱体１６が低熱膨張板１８を有する構成であるにもかかわらず、この放熱体１６の熱伝導率の低下を抑制することができる。したがって、低熱膨張性および高熱伝導性を兼ね備えた放熱体１６が得られ、放熱体１６に絶縁板１１を直接接合して得られた絶縁回路基板２０が、温度が変動する環境下に置かれた場合においても、放熱体１６と絶縁板１１との接合部に亀裂が入り易い、あるいは剥離し易い等といった不具合の発生を抑制することができる。
【００３４】
ここで、前述した作用効果についての検証試験を、シミュレーションにより実施した。実施例として、放熱体１６全体の厚さを１．０ｍｍ、絶縁板１１の厚さを０．１０ｍｍとしたパワーモジュール１０を採用し、該パワーモジュール１０を雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−４０℃から１２５℃に５分から１０分間で上昇させ、１２５℃から−４０℃に５分から１０分間で下降させる温度履歴を１サイクルとした３０００サイクルの温度サイクルをパワーモジュール１０に負荷したときに、絶縁板１１に発生する内部応力をシミュレートした。
比較例として、図１に示す放熱体１６に代えて、熱膨張係数が約１１．５×１０−６／℃とされたＦｅにより形成された放熱体を有するパワーモジュールを採用し、前記と同様に温度サイクル下に置いた。
【００３５】
結果、絶縁板に発生する内部応力が、実施例では、約３０．２ＭＰａであったのに対し、比較例では、約２８４ＭＰａであることが確認された。つまり、本実施形態のパワーモジュール１０では、絶縁板１１に作用する熱応力が低減できることが確認された。
【００３６】
次に、絶縁回路基板およびパワーモジュールの他の実施形態について、図５に従い説明する。この実施形態と、図１で示した前記一実施の形態との異なる点は、放熱体の構成のみであるので、図５には、放熱体のみを示し、他の構成要素についての図示は省略している。
【００３７】
本実施形態の放熱体５６は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体５７を備え、該放熱体本体５７の厚さ方向に貫通する貫通孔５８内に、当該放熱体本体５７より熱伝導率の高い孔埋め材５９が配設され、該孔埋め材５９が、放熱体本体５７の表裏面の一部を構成している。孔埋め材５９は、例えばＡｕ、Ａｇ、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、貫通孔５８の内周面と接合されるとともに、放熱体本体５７の表裏面における貫通孔５８の開口面と面一か、若しくは該開口面から１００μｍ以下だけ突き出されている。これにより、パワーモジュール１０の構成において、絶縁板１１の配設された位置に設けられた孔埋め材５９が絶縁板１１および冷却シンク部３１の双方に接触するようになっている。
【００３８】
次に、本実施形態の放熱体５６の製造方法について説明する。
まず、放熱体本体５７がグリーンシートの状態のときに、プレスにより貫通孔５８を形成し、その後、該グリーンシートを焼成して、放熱体本体５７を形成する。次に、Ａｕ、Ａｇ、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる金属ペーストを、例えばスクリーン印刷法を適用したり、注入することによって、貫通孔５８内に充填し、その後、該金属ペーストを焼成し焼結体に形成して、孔埋め材５９を形成する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る絶縁回路基板およびパワーモジュールにおいても、図１で示した前記一実施の形態で述べたのと略同様の作用効果を奏することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態のパワーモジュールについての検証試験を、シミュレーションにより実施した。実施例として、放熱体本体５７をＡｌ２Ｏ３により形成し、孔埋め材５９を純Ａｌにより形成し、放熱体５６全体の厚さを１．０ｍｍ、絶縁板１１の厚さを０．１０ｍｍとしたパワーモジュールを採用し、該パワーモジュールを雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−４０℃から１２５℃に５分から１０分間で上昇させ、１２５℃から−４０℃に 分間で下降させる温度履歴を１サイクルとした３０００サイクルの温度サイクルをパワーモジュールに負荷したときに、絶縁板１１に発生する内部応力をシミュレートした。
比較例として、図１に示す放熱体１６に代えて、熱膨張係数が約１１．５×１０−６／℃とされたＦｅにより形成された放熱体を有するパワーモジュールを採用し、前記と同様に温度サイクル下に置いた。
【００４１】
結果、絶縁板に発生する内部応力が、実施例では、約２４ＭＰａであったのに対し、比較例では、約２８４ＭＰａであることが確認された。つまり、本実施形態のパワーモジュールでは、絶縁板１１に作用する熱応力が低減できることが確認された。
【００４２】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、前記一実施の形態では、図１に示すように、放熱体１６を３層構造とした構成を示したが、単層であってもよく、また前述した材質に限定されるものでもない。例えば、図１に示す３層構造において、低熱膨張板１８をタングステン（Ｗ）により形成してもよい。さらに、放熱体１６全体をモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、またはＣｕ−Ｗ系合金等により形成し、放熱体１６を単層構造としてもよい。
【００４３】
また、前記一実施の形態においては、リベット形状の孔埋め材２１を圧入により貫通孔１９内に配設したが、粉末材料を貫通孔１９内に充填し、その後、この粉末材料を加圧加熱して焼結させるようにしてもよい。また、低熱膨張板１８の貫通孔１９の形状は、図２に示す６角形状に限らず、例えば円形状であってもよく、その形状は限定されるものではない。
【００４４】
さらに、前記他の実施形態における放熱体本体５７に貫通孔５８を形成する方法として、前記のようにグリーンシートに貫通孔５８を形成するのに代えて、貫通孔５８が形成される前の前記グリーンシートを焼成した後に、レーザー加工を施して貫通孔５８を穿設するようにしてもよい。
また、孔埋め材５９を純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成する場合は、前記金属ペーストを貫通孔５８に充填するのに代えて、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる溶湯を貫通孔５８に充填した後に、該溶湯を硬化させることにより、孔埋め材５９を形成することも可能である。ここで、このように溶湯を貫通孔５８に注入すると、溶湯が貫通孔５８から溢れ出て、この溶湯を硬化させることにより、放熱体本体５７の表面に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる厚さ約１００μｍの純Ａｌ若しくはＡｌ合金膜が形成されることとなる。したがって、この純Ａｌ若しくはＡｌ合金膜に陽極酸化処理を施して、アルマイト膜にすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
高い接合信頼性を具備させることができる絶縁回路基板およびパワーモジュールを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の一実施の形態に係る絶縁回路基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示す低熱膨張板の平面図である。
【図３】図１に示す放熱体の拡大断面側面図である。
【図４】図１に示す放熱体を製造する製造工程において、孔埋め材を圧入する工程を示す拡大断面側面図である。
【図５】この発明の他の実施形態に係る絶縁回路基板の有する放熱体の一部拡大断面側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０ パワーモジュール
１１ 絶縁板
１６、５６ 放熱体
１７、５７ 放熱体本体
１８ 低熱膨張板
１９、５８ 貫通孔
１９ａ 凸曲面部
２０ 絶縁回路基板
２１、５９ 孔埋め材
３０ 半導体チップ（発熱体）
Ｘ 対応領域
Ｙ 周辺領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面に発熱体が接合される構成とされ、
前記絶縁板はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、前記回路層は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、
前記放熱体は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁回路基板において、
前記放熱体は、低熱膨張板の表裏面に、該低熱膨張板より高い熱膨張係数の放熱体本体が配設された構成とされるとともに、前記低熱膨張板の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、前記放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項３】
請求項１記載の絶縁回路基板において、
前記放熱体は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体を備え、該放熱体本体の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、当該放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、該孔埋め材が、前記放熱体本体の表裏面の一部を構成していることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の絶縁回路基板における前記回路層の表面に発熱体が接合されてなることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路層と、前記絶縁板の他方の表面に接合された放熱体とが備えられ、前記回路層の表面に発熱体が接合される構成とされ、
前記絶縁板はＡｌ２Ｏ３を主成分とする材質により形成されるとともに、前記回路層は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成され、
前記放熱体は、縦弾性係数が１２００００ＭＰａ以上４０００００ＭＰａ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２００Ｗ／ｍ・Ｋ以下、熱膨張係数が２×１０−６／℃以上１０×１０−６／℃以下とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁回路基板において、
前記放熱体は、低熱膨張板の表裏面に、該低熱膨張板より高い熱膨張係数の放熱体本体が配設された構成とされるとともに、前記低熱膨張板の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、前記放熱体本体と、前記低熱膨張板および前記孔埋め材とがろう付けされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項３】
請求項１記載の絶縁回路基板において、
前記放熱体は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２若しくはムライト（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）を主成分とする材質により形成された放熱体本体を備え、該放熱体本体の厚さ方向に貫通する貫通孔内に、当該放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、該孔埋め材が、前記放熱体本体の表裏面の一部を構成していることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の絶縁回路基板における前記回路層の表面に発熱体が接合されてなることを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２１６６５９（Ｐ２００６−２１６６５９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６２５０（Ｐ２００５−２６２５０）
【出願日】平成１７年２月２日（２００５．２．２）
【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１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２日（２００５．２．２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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