JP2003037231A

JP2003037231A - モジュール用基板

Info

Publication number: JP2003037231A
Application number: JP2001221524A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Amino; 俊和網野; Haruo Doi; 晴夫土井
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】放熱板の熱伝導率が充分に高く、放熱板と絶
縁性基板との接着強度に優れ、かつ、半導体素子の冷却
効率にも優れるため、発熱量の大きい半導体素子を搭載
するための基板に好適に用いることができるモジュール
用基板を提供すること。【解決手段】放熱板には、半導体素子を、接合層を介
して直接搭載するための領域が確保され、絶縁性基板
は、少なくとも上記導体回路が形成された部分を含む領
域に、２以上に分割されて設けられているとともに、上
記放熱板と接着層を介して接合され、さらに、上記放熱
板は、常温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ
・Ｋ以上の金属又は合金からなり、上記接合層及び上記
接着層との界面に粗化面が形成されるとともに、その内
部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられている
ことを特徴とするモジュール用基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱量の大きな半
導体素子を搭載するためのモジュール用基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ）やＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）のような
動作時に多量の発熱を伴う電力用半導体素子を実装する
基板として、絶縁性基板と放熱板とを備えた放熱特性に
優れるモジュール用基板が用いられている。

【０００３】図５は、この種のモジュール用基板が用い
られたパワーモジュールを模式的に示した断面図であ
る。このパワーモジュール５０では、絶縁性基板５２の
一主面に導体回路５５が形成されるとともに、応力緩和
層５７の上に半田層５８を介して半導体素子５６が搭載
されており、導体回路５５と半導体素子５６とは、ワイ
ヤー５５ａを用いたワイヤーボンディングにより接続さ
れている。また、モジュール用基板５００は、絶縁性基
板５２と、放熱板５１と、両者を接合するためのニッケ
ルメッキ層５４と接合層（図示せず）とから構成されて
いる。

【０００４】従来、このようなパワーモジュール５０を
構成する部材には熱伝導率に優れる材料が使用されてお
り、具体的には、導体回路５５用の金属としては銅が使
用されており、絶縁性基板５２としては窒化アルミニウ
ム基板が使用されており、放熱板５１としては炭化珪素
とアルミニウムとの複合体等が使用されていた。このよ
うな材料からなるパワーモジュール４０は、スイッチン
グ等の動作により半導体素子５６に多量の熱が発生する
と、この発生した熱は、絶縁性基板５２及び放熱板５１
を介して外部に放散され、半導体素子５６の過度の温度
上昇を防止することができるようになっている。

【０００５】従来、このような構造からなるパワーモジ
ュールでは、半導体素子の冷却効率が充分なものではな
く、例えば、半導体素子が自動車用のＩＧＢＴのように
容量が大きく、発熱量の大きなものである場合、半導体
素子で発生する熱を充分に冷却させることができず、上
記半導体素子が高温化して熱破壊されることがあった。
そこで、このような半導体素子の熱破壊を防止するため
に、上記放熱板に空冷式の放熱ファンや放熱フィンを設
けるなど、上記半導体素子の冷却効率の向上を図ってい
た。

【０００６】しかしながら、上述したような放熱ファン
や放熱フィン等の冷却手段を有するパワーモジュールで
あっても、未だ半導体素子の冷却効率は充分なものとは
いえず、放熱板と半導体素子との間の熱交換をスムーズ
に行うことができないことがあり、上記半導体素子が熱
破壊されることがあった。また、放熱板と絶縁性基板と
の間の接着強度も充分なものではなかったため、半導体
素子の半田付け等の工程や、使用時の半導体素子の発熱
等により温度サイクルを受けたとき、放熱板と絶縁性基
板との熱膨張係数の差に起因する熱応力により放熱板と
絶縁性基板との間にクラックが発生したり、外部から加
えられる振動等により上記放熱板と絶縁性基板との間に
クラックが発生したりすることがあった。また、これら
の応力に起因して絶縁性基板に割れが発生することもあ
った。さらに、このように放熱板と絶縁性基板との間に
クラックや、絶縁性基板に割れが発生すると、半導体素
子で発生した熱が、ますます冷却されにくくなり、半導
体素子の温度が過度に上昇して熱破壊されやすくなって
いた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題に
鑑みてなされたものであり、放熱板の熱伝導率が充分に
高く、放熱板と絶縁性基板との接着強度に優れ、かつ、
半導体素子の冷却効率にも優れるため、発熱量の大きい
半導体素子を搭載するための基板に好適に用いることが
できるモジュール用基板を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第一の本発明は、一主面
に導体回路が形成された絶縁性基板と、放熱板とを含ん
で構成されたモジュール用基板であって、上記放熱板に
は、半導体素子を、接合層を介して直接搭載するための
領域が確保され、上記絶縁性基板は、少なくとも上記導
体回路が形成された部分を含む領域に、２以上に分割さ
れて設けられているとともに、上記放熱板と接着層を介
して接合され、さらに、上記放熱板は、常温〜３００℃
における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合
金からなり、上記接合層及び上記接着層との界面に粗化
面が形成されるとともに、その内部に冷却媒体を循環さ
せるための流路が設けられていることを特徴とするモジ
ュール用基板である。

【０００９】また、第二の本発明は、一主面に導体回路
が形成された絶縁性基板と、放熱板と、冷却部材とを含
んで構成されたモジュール用基板であって、上記放熱板
には、半導体素子を、接合層を介して直接搭載するため
の領域が確保され、上記絶縁性基板は、少なくとも上記
導体回路が形成された部分を含む領域に、２以上に分割
されて設けられているとともに、上記放熱板と接着層を
介して接合され、上記放熱板は、常温〜３００℃におけ
る熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金から
なるとともに、上記接着層との界面に粗化面が形成さ
れ、上記冷却部材は、上記放熱板の下方に配置され、そ
の内部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられて
いることを特徴とするモジュール用基板である。

【００１０】また、第三の本発明は、四角柱状の放熱部
材の内部に冷却媒体を循環させるための流路が形成さ
れ、上記放熱部材の対向する２つの側面に絶縁性基板が
形成されるとともに、上記絶縁性基板上に導体回路が形
成された半導体素子を搭載するためのモジュール用基板
であって、上記絶縁性基板は、少なくとも上記導体回路
が形成された部分に設けられ、上記放熱部材は、常温〜
３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金
属又は合金からなり、上記接着層との界面に粗化面が形
成されていることを特徴とするモジュール用基板であ
る。

【００１１】また、第四の本発明は、その内部に冷却媒
体を循環させるための流路が形成された四角柱状の冷却
部材の周囲に放熱板が配置され、対向する上記放熱板に
絶縁性基板が形成されるとともに、上記放熱板上に導体
回路が形成された半導体素子を搭載するためのモジュー
ル用基板であって、上記絶縁性基板は、少なくとも上記
導体回路が形成された部分に設けられ、上記放熱部材
は、常温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・
Ｋ以上の金属又は合金からなり、上記接着層との界面に
粗化面が形成されていることを特徴とするモジュール用
基板である。以下、本発明を詳細に説明する。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、第一の本発明のモジュール
用基板について説明する。第一の本発明のモジュール用
基板は、一主面に導体回路が形成された絶縁性基板と、
放熱板とを含んで構成されたモジュール用基板であっ
て、上記放熱板には、半導体素子を、接合層を介して直
接搭載するための領域が確保され、上記絶縁性基板は、
少なくとも上記導体回路が形成された部分を含む領域
に、２以上に分割されて設けられているとともに、上記
放熱板と接着層を介して接合され、上記放熱板は、常温
〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
金属又は合金からなり、上記接合層及び上記接着層との
界面に粗化面が形成されるとともに、その内部に冷却媒
体を循環させるための流路が設けられていることを特徴
とする。

【００１３】第一の本発明のモジュール用基板におい
て、放熱板には、半導体素子を、接合層を介して直接搭
載するための領域が確保されている。即ち、上記放熱板
に上記半導体素子を直接搭載することができるため、放
熱板と半導体素子との間の熱交換を非常にスムーズに行
うことができ、その結果、上記放熱板の温度上昇を防止
することができ、上記半導体素子の冷却効率が優れたも
のとなっている。

【００１４】また、一主面に導体回路が形成された絶縁
性基板は、少なくとも上記導体回路が形成された部分を
含む領域に、２以上に分割されて設けられている。即
ち、上記絶縁性基板の形成領域が小さく、また、その領
域が複数に分割されているため、半導体素子の半田付け
等の工程や、使用時の半導体素子の発熱等により温度サ
イクルを受けた際に、上記放熱板と上記絶縁性基板との
熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力や、外部から振
動等が加えられた際に生じる応力等を好適に分散させる
ことができ、上記放熱板と上記絶縁性基板との間にクラ
ックが発生することがなく、また、上記絶縁性基板に割
れが発生することもない。

【００１５】さらに、第一の本発明のモジュール用基板
では、放熱板を構成する金属又は合金の常温〜３００℃
における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に高
く、また、上記放熱板の内部に設けられた流路に冷却媒
体を循環させることで、上記モジュール用基板の上部に
搭載した半導体素子と上記放熱板との熱交換を非常にス
ムーズに行うことができることからも、上記放熱板の温
度上昇を防止することができ、上記半導体素子の冷却効
率に優れたものとなっている。

【００１６】また、上記放熱板の接合層との界面に形成
されている粗化面も、上記半導体素子の冷却効率の向上
に寄与している。即ち、上記放熱板の上記接合層との界
面に粗化面が形成されていると、これらの間の接触面積
が大きくなるため、上記放熱板と上記接合層との間を熱
が伝導しやすくなるのである。さらに、上記放熱板の上
記接合層及び上記接着層との界面に粗化面が形成される
ことで、上記放熱板と上記接合層及び上記接着層との間
にアンカー効果が働き、これらの間の接着強度が非常に
優れたものとなっているため、上記放熱板と上記接合層
及び上記接着層との間にクラックが発生することもな
い。なお、半導体素子の使用等により生じた熱は、専ら
半導体素子の下方向に向かって拡散するものであるた
め、上記導体回路は殆ど加熱されることはなく、上記放
熱板の上記接着層との界面に形成された粗化面は、主に
上記放熱板と上記接着層との接着強度の向上に寄与する
のである。

【００１７】図１（ａ）は、第一の本発明のモジュール
用基板の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュ
ールの一例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、
（ａ）に示したモジュール用基板を構成する放熱板の水
平断面図である。なお、図１（ｂ）に示した矢印は、冷
却媒体の流れを示している。

【００１８】図１（ａ）に示したように、第一の本発明
に係るパワーモジュール１０を構成するモジュール用基
板１００は、その内部に冷却媒体を流通させるための複
数の流路１３が形成され、その両側に注入口１３ａと排
出口１３ｂとが設けられた略板状の放熱板１１と、放熱
板１１上の両側付近に、それぞれ接着層１４を介して配
置された板状の絶縁性基板１２と、両者を接合させるた
めの接着層１４とから構成され、この絶縁性基板１２の
上には導体回路１５が形成されている。また、図示はし
ないが、放熱板１１の接着層１４との界面には粗化面が
形成されている。そして、パワーモジュール１０は、モ
ジュール用基板１００の上面に、半導体素子１６が接合
層１７を介して直接搭載され、この半導体素子１６と導
体回路１５とが、ワイヤー１５ａを用いたワイヤーボン
ディングにより接続されている。また、図示はしない
が、放熱板１１の接合層１７との界面には粗化面が形成
されている。

【００１９】第一の本発明のモジュール用基板１００に
おいて、放熱板１１には、半導体素子１６を、接合層１
７を介して直接搭載するための領域が確保されている。
放熱板１１と半導体素子１６との熱交換をスムーズに行
うことができるようにし、半導体素子１６の冷却効率を
優れたものとするためである。なお、図１（ａ）におい
て、半導体素子を搭載するための領域は、放熱板１１の
中央付近に形成されており、通常、この領域には、複数
個の半導体素子が並んだ状態で搭載されるが、搭載され
る半導体素子の個数は特に限定されず、１個でもよい。

【００２０】放熱板１１は、常温〜３００℃における熱
伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなる
ものである。放熱板１１の常温〜３００℃における熱伝
導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、放熱板１１と半
導体素子１６との間の熱交換をスムーズに行うことがで
きず、モジュール用基板１００に発熱量の大きい半導体
素子１６を搭載したパワーモジュール１０において、半
導体素子１６を好適に冷却させることができない。放熱
板１１の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること
がより望ましい。このような放熱板１１は、通常、３〜
４ｍｍの厚さであることが望ましい。

【００２１】このような熱伝導率を有する金属又は合金
としては特に限定されず、例えば、Ｃｕ、Ａｌ及びＳｉ
等の金属や、これらの金属にＺｒ、Ｆｅ、Ｐ及びＺｎ等
が含まれた合金を挙げることができる。これらのなかで
は、Ｃｕを主成分とする合金であることが望ましい。熱
伝導率に優れ、半導体素子１６との間で良好に熱交換す
ることができるからである。具体的には、ＣｕとＺｒと
からなる合金であることが望ましい。

【００２２】また、放熱板１１の接合層１７及び接着層
１４との界面には粗化面が形成されている。上述した通
り、このように放熱板１１に粗化面が形成されること
で、放熱板１１と接合層１７及び接着層１４との間には
アンカー効果が働き、放熱板１１と接着層１４との接着
強度が非常に優れたものとなる。従って、半導体素子１
６の半田付け等の工程や、使用時の半導体素子１６の発
熱等により冷熱サイクルを受けた場合であっても、放熱
板１１と接合層１７及び接着層１４との間にクラックが
発生することがない。また、放熱板１１と接合層１７と
の接触面積が大きくなるため、放熱板１１と接合層１７
との間を熱が伝導しやすくなり、放熱板１１による半導
体素子１６の冷却効率が優れたものとなる。なお、上述
した通り、放熱板１１の接着層１４との界面に形成され
た粗化面は、主に放熱板１１と接着層１４との接着強度
の向上に寄与する。上記粗化面の面粗度としては、ＪＩ
ＳＢ０６０１に規定されるＲａで０．０１〜０．５
μｍ程度であることが望ましい。放熱板１１と接合層１
７及び接着層１４との間に好適なアンカー効果を得るこ
とができる範囲だからである。

【００２３】上記粗化面は、黒化還元処理、研磨処理、
エッチング処理及びメッキ処理のいずれかの方法により
形成されることが望ましい。なお、これらの具体的な方
法については、後述する第一の本発明のモジュール用基
板の製造方法において詳しく説明する。

【００２４】また、図１（ｂ）に示したように、放熱板
１１の内部には、放熱板１１の中央に放熱板１１を２等
分するように形成された仕切りを介して、冷却媒体を循
環させるための複数の流路１３が設けられ、その両側に
注入口１３ａと排出口１３ｂとがそれぞれ設けられてい
る。図１（ｂ）に矢印で示した通り、注入口１３ａから
注入された冷却媒体は、流路１３を通って排出口１３ｂ
から外部へ排出されることで、放熱板１１の内部を循環
し、その結果、放熱板１１を常に低温状体に保つことが
でき、モジュール用基板１００に搭載した半導体素子１
６が過度に温度上昇しないように制御することができ
る。

【００２５】上記冷却媒体としては特に限定されず、例
えば、水等を使用することができるが、例えば、半導体
素子１６を自動車用のＩＧＢＴに使用する場合、ラジエ
ーター液を利用することもできる。

【００２６】また、放熱板１１の内部には、複数の流路
１３が並列に整列されているが、放熱板の内部に設けら
れる流路の構造はこれに限定されることはなく、例え
ば、放熱板の内部に大きな流路が一本だけ設けられた構
造等であってもよい。

【００２７】接着層１４は、放熱板１１と絶縁性基板１
２との間に設けられ、これらを接合する役割を果たして
いるのであるが、このような接着層１４を構成する材料
としては特に限定されず、例えば、金属やセラミック等
の接合の際に通常に用いられる半田、ろう材、接着剤等
を挙げることができる。なお、接着層１４を構成する材
料が半田やろう材である場合、その成分中にＣｕを含む
ものであることが望ましい。熱伝導率に優れ、放熱板１
１との馴染みがよいからである。また、接着層１４の厚
さとしては特に限定されず、放熱板１１及び絶縁性基板
１２の材質、及び、これらの熱伝導率等を考慮して適宜
決定されるが、なるべく薄い方が好ましい。

【００２８】絶縁性基板１２は、少なくとも導体回路１
５が形成された部分を含む領域に、２以上に分割されて
設けられており、接着層１４を介して放熱板１１と接合
されている。導体回路１５が形成された部分に絶縁性基
板１２が設けられていないと、導体回路１５及び半導体
素子１６間の絶縁性、及び、導体回路１５と放熱板１１
との絶縁性を確保することができない。また、絶縁性基
板１２をこのように形成することで、絶縁性基板１２の
形成領域が小さくなるため、絶縁性基板１２に蓄積され
る熱応力や、振動等により生じる応力も小さくなり、放
熱板１１と絶縁性基板１２との間にクラックが発生する
ことを防止することができる。さらに、絶縁性基板１２
が２以上に分割されているため、上記熱応力や応力を分
散させることができ、絶縁性基板１２に割れが発生する
ことも防止することができる。

【００２９】絶縁性基板１２は、絶縁材料で、高い熱伝
導率を有するものであることが望ましい。このような材
料としては特に限定されず、例えば、窒化物セラミッ
ク、炭化物セラミック、金属酸化物等のセラミック材
料、又は、絶縁性樹脂等を挙げることができる。

【００３０】上記窒化物セラミックとしては、例えば、
窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化チタン
等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以
上を併用してもよい。

【００３１】また、上記炭化物セラミックとしては、例
えば、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化
タンタル、炭化タングステン等が挙げられる。これらは
単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

【００３２】また、上記金属酸化物としては、例えば、
アルミナ等を挙げることができる。これらのなかでは、
絶縁性基板１２を構成する材料は、窒化アルミニウム、
窒化珪素、炭化珪素及び金属酸化物から選択される少な
くとも１種のセラミックであることが望ましく、窒化ア
ルミニウムからなることが最も望ましい。熱伝導率が１
５０Ｗ／ｍ・Ｋと最も大きいからである。

【００３３】なお、絶縁性基板１２を構成する材料とし
て炭化物セラミックを使用した場合、必要により、絶縁
層を形成してもよい。炭化物セラミックは特に高純度化
しない限り導電性を有しているからである。

【００３４】上記絶縁層としては、酸化物セラミックが
望ましく、具体的には、シリカ、アルミナ、ムライト、
コージェライト、ベリリア等を使用することができる。
このような絶縁層としては、アルコキシドを加水分解重
合させたゾル溶液を絶縁性基板にスピンコートして乾
燥、焼成を行ったり、スパッタリング、ＣＶＤ等で形成
してもよい。また、絶縁性基板表面を酸化処理して酸化
物層を設けてもよい。

【００３５】このような絶縁層は、絶縁性基板１２の表
面全体に形成されていてもよいが、少なくとも絶縁性基
板１２と、導体回路１５との間に形成されていればよ
い。導体回路１５と半導体素子１６との絶縁性を確保す
ることができるとともに、導体回路１５と放熱板１１と
の絶縁性も確保することができるからである。

【００３６】上記絶縁性樹脂としては、例えば、熱硬化
性樹脂や熱可塑性樹脂等を挙げることができる。

【００３７】上記熱硬化性樹脂の具体例としては、例え
ば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、
ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリオレフィ
ン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂等が挙げられ
る。

【００３８】上記エポキシ樹脂としては、例えば、クレ
ゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂、アルキルフェノール
ノボラック型エポキシ樹脂、ビフェノールＦ型エポキシ
樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエ
ン型エポキシ樹脂、フェノール類とフェノール性水酸基
を有する芳香族アルデヒドとの縮合物のエポキシ化物、
トリグリシジルイソシアヌレート、脂環式エポキシ樹脂
等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種
以上併用してもよい。それにより、耐熱性等に優れるも
のとなる。

【００３９】上記ポリオレフィン系樹脂としては、例え
ば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポ
リイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、シ
クロオレフィン系樹脂、これらの樹脂の共重合体等が挙
げられる。

【００４０】また、上記熱可塑性樹脂としては、例え
ば、フェノキシ樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリス
ルフォン等が挙げられる。さらに、絶縁性基板１２は、
これらの熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との複合体（樹脂
複合体）であってもよい。

【００４１】また、絶縁性基板１２が上記絶縁性樹脂か
らなる場合、この絶縁性樹脂は、粗化面を形成すること
ができる樹脂組成物からなることが望ましい。導体回路
１５をその表面に形成する際、絶縁性基板１２と導体回
路１５との接着強度が優れたものとなるからである。

【００４２】また、接着層１４に面した絶縁性基板１２
の界面にも粗化面が形成されていることが望ましい。絶
縁性基板１２と接着層１４との間にアンカー効果が働
き、これらの接着強度が非常に優れたものとなるととも
に、絶縁性基板１２と接着層１４との接触面積が大きく
なるため、絶縁性基板１２及び接着層１４間の熱の伝導
が良好に行われるからである。

【００４３】絶縁性基板１２の接着層１４との界面に形
成される粗化面の面粗度としては、上述した放熱板１１
に形成される粗化面と同様であることが望ましい。ま
た、このような絶縁性基板１２の粗化面は、絶縁性基板
１２の表面に研磨処理、エッチング等を施すことにより
形成することができる。

【００４４】さらに、絶縁性基板１２の接着層１４との
界面には、スパッタリング処理、メッキ処理等によりメ
タライズ処理が施されていることが望ましい。絶縁性基
板１２と接着層１４との馴染みがよくなるからである。
上記メタライズ処理に使用される金属としては特に限定
されず、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ等が挙げられる。

【００４５】また、導体回路１５は、絶縁性基板１２の
表面に単層で形成されていてもよく、絶縁性基板１２の
内部に複数層に分かれて形成されていてもよい。このよ
うな導体回路１５の材料としては、例えば、銅、アルミ
ニウム等が挙げられるが、比較的高い導電率を有すると
ともに変形抵抗の小さいアルミニウムが好ましい。ま
た、絶縁性基板１２と導体回路１５との接合は、例え
ば、Ａｌ−Ｓｉを含むろう材、半田、接着剤等を用いて
行うことができる。

【００４６】半導体素子１６としては特に限定されない
が、本発明のモジュール用基板１００は、放熱特性に特
に優れたものであるため、動作時に発熱量の多い半導体
素子であることが望ましく、このような半導体素子とし
ては、例えば、ＩＧＢＴ、ＳＩＴ等が挙げられる。ま
た、このような半導体素子１６を放熱板１１に直接接合
する接合層１７としては特に限定されず、例えば、Ａｇ
を主成分とする半田、Ｃｕを主成分とする半田等を挙げ
ることができる。

【００４７】また、図示はしないが、半導体素子１６と
絶縁性基板１２との間には、応力緩衝層が形成されてい
ることが望ましい。パワーモジュール１０の動作時にお
いて、半導体素子１６は発熱源となるため、半導体素子
１６と絶縁性基板１２との熱膨張係数に起因して接合層
１７にクラックが発生することがあるが、半導体素子１
６と絶縁性基板１２との間に応力緩衝層を設けること
で、接合層１７にクラックが発生することを確実に防止
することができる。このような応力緩衝層を構成する材
料としては特に限定されず、例えば、モリブデン等を挙
げることができる。

【００４８】以上説明した通り、第一の本発明のモジュ
ール用基板は、放熱板に、半導体素子を、接合層を介し
て直接搭載するための領域が確保されている。従って、
半導体素子と放熱板との熱交換を非常にスムーズに行う
ことができるため、上記放熱板の温度上昇を防止するこ
とができ、また、上記半導体素子の冷却効率が優れたも
のとなる。

【００４９】また、絶縁性基板は、少なくとも上記導体
回路が形成された部分を含む領域に、２以上に分割され
て設けられているため、絶縁性基板の形成領域が小さく
なり、絶縁性基板に蓄積される熱応力や、振動等により
生じる応力も小さくなって、放熱板と絶縁性基板との間
にクラックが発生することを防止することができる。さ
らに、絶縁性基板が２以上に分割されているため、上記
熱応力や応力を分散させることができ、絶縁性基板に割
れが発生することも防止することができる。

【００５０】また、放熱板が、常温〜３００℃における
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からな
る放熱板の、接合層及び接着層との界面に粗化面が形成
されているとともに、その内部に冷却媒体を循環させる
ための流路が形成されている。従って、放熱板と、接合
層及び接着層との間にはアンカー効果が働き、これらの
接着強度が非常に優れたものとなる。また、放熱板と、
接合層及び接着層との接触面積が大きくなるため、放熱
板と、接合層及び接着層との間を熱が伝導しやすくな
り、その内部を循環する冷却媒体によって低温状体に保
たれた放熱板と半導体素子との間の熱交換をスムーズに
行うことができ、半導体素子の冷却効率が優れたものと
なる。

【００５１】次に、第一の本発明のモジュール用基板を
製造する方法について説明する。第一の本発明のモジュ
ール用基板を構成する放熱板は、例えば、上述した金属
又は合金からなる内部に空洞を有する複数の柱状体を、
ろう付け、溶接、半田付け等により接合して接合体を作
製した後、この接合体の両端面に、上記柱状体と同様の
材料からなり、側面の一部に矩形状の開口が形成され、
一端部が塞がれた管を、上記接合体の端面と上記管の開
口とが当接するように配置した後、これらをろう付け、
溶接、半田付け等により接合することで、図１（ｂ）に
示したような、その内部に流路が設けられた放熱板を作
製することができる。板状体を用いて箱型のものを作製
した後、管を取りつけて放熱板としてもよい。

【００５２】次に、この放熱板の一主面に粗化面を形成
する。上記粗化面を形成する方法としては特に限定され
ず、例えば、黒化還元処理、研磨処理、エッチング処理
及びメッキ処理等を挙げることができる。

【００５３】上記黒化還元処理としては、例えば、Ｎａ
ＯＨ（２０ｇ／ｌ）、ＮａＣｌＯ_２（５０ｇ／ｌ）、Ｎ
ａ_３ＰＯ_４（１５．０ｇ／ｌ）を含む水溶液からなる黒
化浴（酸化浴）、及び、例えば、ＮａＯＨ（２．７ｇ／
ｌ）、ＮａＢＨ_４（１．０ｇ／ｌ）を含む水溶液からな
る還元浴を用いて粗化面を形成する方法が望ましい。

【００５４】上記研磨処理としては、例えば、ヤスリ、
サンドペーパー等により放熱板表面を機械的に研磨する
方法が挙げられる。

【００５５】また、上記メッキ処理としては、硫酸銅
（１〜４０ｇ／ｌ）、硫酸ニッケル（０．１〜６．０ｇ
／ｌ）、クエン酸（１０〜２０ｇ／ｌ）、次亜リン酸ナ
トリウム（１０〜１００ｇ／ｌ）、ホウ酸（１０〜４０
ｇ／ｌ）、界面活性剤（日信化学工業社製、サーフィノ
ール４６５）（０．０１〜１０ｇ／ｌ）を含むｐＨ＝９
の無電解メッキ浴にて無電解メッキを施し、Ｃｕ−Ｎｉ
−Ｐ合金からなる粗化面を形成する方法が望ましい。こ
の範囲で析出する被膜の結晶構造は針状構造になるた
め、アンカー効果に優れるからである。この無電解メッ
キ浴には上記化合物に加えて錯化剤や添加剤を加えても
よい。

【００５６】また、上記エッチング処理としては、第二
銅錯体及び有機酸からなるエッチング液を酸素共存下で
作用させ、放熱板表面を粗化する方法が望ましい。

【００５７】このような方法により放熱板表面に形成す
る粗化面の面粗度は、ＪＩＳＢ０６０１に規定され
るＲａで０．０１〜０．５μｍ程度であることが望まし
い。放熱板と、後述する接着層との間に好適なアンカー
効果を得ることができる範囲だからである。

【００５８】次に、その一主面に導体回路が形成され、
半導体素子を搭載するための絶縁性基板を作製する。上
記第一の本発明のモジュール用基板において説明した通
り、上記絶縁性基板を構成する材料としては、窒化物セ
ラミック、炭化物セラミック及び金属酸化物等のセラミ
ック材料、又は、絶縁性樹脂等を挙げることができる。

【００５９】上記絶縁性基板が上記セラミック材料から
なる場合、まず、セラミック粉末に、必要に応じてイッ
トリア（Ｙ_２Ｏ_３）やＢ_４Ｃ等の焼結助剤、Ｎａ、Ｃａ
を含む化合物、バインダー等を配合してスラリーを調製
した後、このスラリーをスプレードライ等の方法で顆粒
状にし、この顆粒を金型に入れて加圧することにより板
状等の所定の形状に成形することで、生成形体（グリー
ン）を作製する。

【００６０】次に、この生成形体を加熱、焼成して焼結
させ、セラミック製の板状体を製造する。この後、所定
の形状に加工することにより、絶縁性基板を作製する
が、焼成後にそのまま使用することができる形状として
もよい。加圧しながら加熱、焼成を行うことにより、気
孔のない絶縁性基板を製造することが可能となる。加
熱、焼成は、焼結温度以上であればよいが、窒化物セラ
ミックや炭化物セラミックでは、１０００〜２５００℃
であり、酸化物セラミックでは、１５００〜２０００℃
であることが望ましい。

【００６１】また、上記絶縁性基板が絶縁性樹脂からな
る場合、上述した熱硬化性樹脂や樹脂複合体からなる未
硬化の樹脂層を形成するか、又は、熱可塑性樹脂からな
る樹脂層を形成することが望ましい。

【００６２】上記未硬化の樹脂層は、未硬化の樹脂をロ
ールコータ−、カーテンコータ−等により塗布して形成
してもよく、また、未硬化（半硬化）の樹脂フィルムを
熱圧着して形成してもよい。また、熱可塑性樹脂からな
る樹脂層は、フィルム状に成形した樹脂成形体を熱圧着
することにより形成することが望ましい。

【００６３】上記未硬化の樹脂を塗布する場合には、樹
脂を塗布した後、加熱処理を施す。上記加熱処理を施す
ことにより、未硬化の樹脂を熱硬化させることができ
る。

【００６４】また、このようにして製造した絶縁性基板
の、後述する接着層に面する主面に粗化面を形成するこ
とが望ましい。絶縁性基板と接着層との間でアンカー効
果を得ることができるため、これらの接着強度が非常に
優れたものとなるとともに、絶縁性基板と接着層との接
触面積が大きくなるため、絶縁性基板及び接着層間の熱
の伝導が良好に行われるからである。粗化面は、研磨処
理またはエッチング処理により形成することができる。

【００６５】次に、上記放熱板と上記絶縁性基板とを接
着層を介して接合する。なお、上記第一の本発明のモジ
ュール用基板において説明した通り、放熱板と絶縁性基
板とを接合した際、上記放熱板には、半導体素子を、接
合層を介して直接搭載するための領域を確保する必要が
ある。上記接着層を構成する材料としては、半田、ろう
材、接着剤等を挙げることができる。ここで、上記放熱
板と絶縁性基板とを半田で接合するには、上記放熱板の
粗化面に半田ペーストを塗布した後、上記絶縁性基板を
上記半田ペースト上に載置して加熱リフローすればよ
い。また、上記絶縁性基板に粗化面を形成した場合に
は、絶縁性基板の粗化面が上記半田ペーストと当接する
ように、上記絶縁性基板を半田ペースト上に載置する。
このようにして放熱板と絶縁性基板とを接合すること
で、上記放熱板と上記接着層との間の接触面積が大きな
ものとなり、両者の接着強度は非常に優れたものとな
る。

【００６６】そして、上記絶縁性基板の接着層を接合し
た反対面に、銅、アルミニウム等で所定の導体回路を形
成することで、本発明のモジュール用基板を製造する。
上記導体回路は、例えば、絶縁性基板がＡｌＮ等のセラ
ミック材料からなる場合、Ａｌ−Ｓｉを含むろう材を用
いて、上記絶縁性基板の表面に接合することができる。

【００６７】次に、第二の本発明のモジュール用基板に
ついて説明する。第二の本発明のモジュール用基板は、
一主面に導体回路が形成された絶縁性基板と、放熱板
と、冷却部材とを含んで構成されたモジュール用基板で
あって、上記放熱板には、半導体素子を、接合層を介し
て直接搭載するための領域が確保され、上記絶縁性基板
は、少なくとも上記導体回路が形成された部分を含む領
域に、２以上に分割されて設けられているとともに、上
記放熱板と接着層を介して接合され、上記放熱板は、常
温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
の金属又は合金からなるとともに、上記接着層との界面
に粗化面が形成され、上記冷却部材は、上記放熱板の下
方に配置され、その内部に冷却媒体を循環させるための
流路が設けられていることを特徴とする。

【００６８】第二の本発明のモジュール用基板は、放熱
板の内部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられ
ておらず、放熱板の下方に冷却媒体を循環させるための
流路を有する冷却部材が配置されているほかは、上述し
た第一の本発明のモジュール用基板と略同様の構成及び
材料からなるものである。従って、第二の本発明のモジ
ュール用基板は、上述した第一の本発明のモジュール用
基板と同様の効果を得ることができる。

【００６９】図２（ａ）は、第二の本発明のモジュール
用基板の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュ
ールの一例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、
（ａ）に示した冷却部材の水平断面図である。なお、図
２（ｂ）に示した矢印は、冷却媒体の流れを示してい
る。

【００７０】図２（ａ）に示した通り、第二の本発明に
係るパワーモジュール２０において、モジュール用基板
２００は、その下方に配置され、内部に冷却媒体を流通
させるための複数の流路２３が設けられるとともに、そ
の両側に注入口２３ａと排出口２３ｂとが設けられた略
板状の冷却部材２３０と、冷却部材２３０上に形成され
た放熱板２１と、その上に接着層２４を介して配置され
た板状の絶縁性基板２２と、両者を接合するための接着
層２４とから構成されており、この絶縁性基板２２の上
には導体回路２５が形成されている。また、図示はしな
いが、放熱板２１の接着層２４との界面には粗化面が形
成されている。そして、パワーモジュール２０は、モジ
ュール用基板２００の上面に、半導体素子２６が接合層
２７を介して直接搭載され、この半導体素子２６と導体
回路２５とが、ワイヤー２５ａを用いたワイヤーボンデ
ィングにより接続されている。また、図示はしないが、
放熱板２１の接合層２７との界面には粗化面が形成され
ている。

【００７１】第二の本発明のモジュール用基板２００
は、放熱板２１の内部に冷却媒体を循環させるための流
路が設けられておらず、放熱板２１の下方に冷却媒体を
循環させるための流路２３を有する冷却部材２３０が配
置されているほかは、上述した第一の本発明のモジュー
ル用基板１００と略同様の構成及び材料からなるもので
ある。従って、ここでは、主に冷却部材２３０及び放熱
板２１について説明することとする。

【００７２】図２（ｂ）に示した通り、冷却部材２３０
は、図１（ｂ）を用いて説明した放熱板１１と略同様の
構造である。即ち、その内部に複数の流路２３が並列に
配列されており、その両端には、冷却媒体を注入するた
めの注入口２３ａ及び冷却媒体を排出するための排出口
２３ｂが設けられている。

【００７３】このような冷却部材２３０を構成する材料
としては、上述した第一の本発明のモジュール用基板で
説明した放熱板１１と同様の材料を挙げることができ
る。また、放熱板２１と冷却部材２３０とは、同じ材料
からなることが望ましい。接合が容易だからである。ま
た、この冷却部材２３０の上には、放熱板２１が図示し
ない半田層等を介して接合されている。

【００７４】放熱板２１は板状であり、このような放熱
板２１を構成する材料も第一の本発明のモジュール用基
板１００で説明した放熱板１１と同様の材料を挙げるこ
とができる。また、放熱板２１の接合層２７及び接着層
２４との界面には、第一の本発明のモジュール用基板１
００の放熱板１１と同様の粗化面が形成されている。

【００７５】このように、第二の本発明のモジュール用
基板は、放熱板の内部に冷却媒体を循環させるための流
路が設けられておらず、放熱板の下方に冷却媒体を循環
させるための流路を有する冷却部材が配置されているほ
かは、上述した第一の本発明のモジュール用基板と略同
様の構成及び材料からなるものであるため、上述した第
一の本発明のモジュール用基板と同様の効果を得ること
ができる。

【００７６】次に、第二の本発明のモジュール用基板の
製造方法について説明する。第二の本発明のモジュール
用基板に係る冷却部材は、例えば、上述した金属又は合
金からなる内部に空洞を有する複数の柱状体を、ろう付
け、溶接、半田付け等により接合して接合体を作製した
後、この接合体の両端面に、上記柱状体と同様の材料か
らなり、側面の一部に矩形状の開口が形成され、一端部
が塞がれた管を、上記接合体の端面と上記管の開口とが
当接するように配置した後、これらをろう付け、溶接、
半田付け等により接合する等により、図２（ｂ）に示し
たような、その内部に流路が設けられた放熱板を作製す
ることができる。

【００７７】次に、上記冷却部材と同様の材料を所定の
大きさの板状に加工することで板状の放熱板を作製し、
その主面に粗化処理を施す。上記粗化処理としては、上
記第一の本発明のモジュール用基板の製造方法において
説明した方法と同様の方法を採用することができるた
め、ここではその説明を省略する。この場合、放熱板
は、板状体であるため粗化処理を容易に行うことができ
る。そして、このようにして作製した放熱板と、上記冷
却部材とをろう付け、半田付け、溶接等により接合す
る。なお、上記放熱板に粗化面を形成する工程は、この
放熱板と冷却部材とを接合した後に行ってもよい。

【００７８】その後、上記第一の本発明のモジュール用
基板の製造方法と同様にして、絶縁性基板を製造し、こ
の絶縁性基板と上記放熱板とを接着層を介して接合した
後、上記絶縁性基板の一の主面に導体回路を形成するこ
とで、第二の本発明のモジュール用基板を製造すること
ができる。

【００７９】次に、第三の本発明のモジュール用基板に
ついて説明する。第三の本発明のモジュール用基板は、
四角柱状の放熱部材の内部に冷却媒体を循環させるため
の流路が形成され、上記放熱部材の対向する２つの側面
に絶縁性基板が形成されるとともに、上記絶縁性基板上
に導体回路が形成された半導体素子を搭載するためのモ
ジュール用基板であって、上記絶縁性基板は、少なくと
も上記導体回路が形成された部分に設けられ、上記放熱
部材は、常温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／
ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなり、上記接着層との界
面に粗化面が形成されていることを特徴とする。

【００８０】第三の本発明のモジュール用基板は、冷却
媒体を循環させるための流路を有する放熱部材が四角柱
状であり、その対向する左右の側面に、絶縁性基板及び
導体回路が立体的に形成されているほかは、モジュール
用基板を構成する各部材間の接続、材質等は、上述した
第一の本発明のモジュール用基板と略同様である。従っ
て、第三の本発明のモジュール用基板は、上述した第一
の本発明のモジュール用基板と同様の効果を得ることが
できるとともに、その構造が略四角柱状であるため、小
型化することができる。

【００８１】図３（ａ）は、第三の本発明のモジュール
用基板の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュ
ールの一例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、
（ａ）に示した冷却部材の水平断面図である。なお、図
３（ｂ）に示した矢印は、冷却媒体の流れを示してい
る。

【００８２】図３（ａ）に示した通り、第三の本発明に
係るパワーモジュール３０において、モジュール用基板
３００は、その内部に冷却媒体を流通させるための流路
３３が形成された四角柱状の放熱部材３１と、放熱部材
３１の左右の側面に、それぞれ接着層３４を介して配置
された板状の絶縁性基板３２と、両者を接合するための
接着層３４とから構成されており、この絶縁性基板３２
の上には導体回路３５が形成されている。また、図示は
しないが、放熱部材３１の接着層３４との界面には粗化
面が形成されている。そして、パワーモジュール３０
は、モジュール用基板３００の上面に、半導体素子３６
が接合層３７を介して直接搭載され、この半導体素子３
６と導体回路３５とが、ワイヤー３５ａを用いたワイヤ
ーボンディングにより接続されている。また、図示はし
ないが、放熱部材３１の接合層３７との界面には粗化面
が形成されている。

【００８３】第三の本発明のモジュール用基板３００
は、冷却媒体を循環させるための流路３３を有する放熱
部材３１が四角柱状であり、その対向する左右の側面
に、絶縁性基板３２及び導体回路３５が立体的に形成さ
れているほかは、モジュール用基板３００を構成する各
部材間の接続、材質等は、上述した第一の本発明のモジ
ュール用基板１００と略同様である。従って、ここで
は、主に放熱部材３１について説明することとする。

【００８４】図３（ａ）に示した通り放熱部材３１は、
その内部に冷却媒体を循環させるための流路３３が形成
された四角柱状である。このような放熱部材３１の大き
さとしては特に限定されず、半導体素子３６や導体回路
３５の大きさを考慮して適宜調整される。また、その長
さは、放熱部材３１の周囲に形成する半導体素子３６及
び導体回路３５の数に合わせて適宜調整される。なお、
図３（ｂ）において、半導体素子３６及び導体回路３５
はモジュール用基板３００に４個形成されているが、半
導体素子３６及び導体回路３５の数はこれに限定される
ことはなく、３個以下であってもよく、５個以上であっ
てもよい。

【００８５】また、放熱部材３１の内部に形成されてい
る流路３３の大きさも特に限定されず、放熱部材３１を
構成する材料の熱伝導率、搭載する半導体素子３６の発
熱量等を勘案して適宜決定される。

【００８６】また、放熱部材３１を構成する材料は、第
一の本発明のモジュール用基板１００で説明した放熱板
１１と同様の材料を挙げることができる。また、放熱部
材３１の接着層３４との界面には、第一の本発明のモジ
ュール用基板１００の放熱板１１と同様の粗化面が形成
されている。さらに、放熱部材３１の半導体素子３６を
放熱部材３１に直接搭載するための接合層３７との界面
にも、上記粗化面と同様の粗化面が形成されている。

【００８７】また、第三の本発明のモジュール用基板３
００において、絶縁性基板３２は、少なくとも導体回路
３５が形成された部分に設けられている。即ち、図３
（ｂ）に示したように、絶縁性基板３２は、導体回路３
５よりも僅かに大きな平面視略矩形状であってもよく、
複数の導体回路が形成されたような板状であってもよ
い。しかしながら、絶縁性基板が板状であると、パワー
モジュール３０の使用により生じる熱応力や、振動等が
加わった際に生じる応力等が蓄積されて割れが発生しや
すいため、絶縁性基板は、図示したような小さな領域に
分割されていることが望ましい。

【００８８】このように、第三の本発明のモジュール用
基板は、絶縁性基板及び導体回路等が、四角柱状の放熱
部材の周囲に立体的に配置されているほかは、モジュー
ル用基板を構成する各部材間の接続、材質等は、上述し
た第一の本発明のモジュール用基板と略同様である。従
って、上述した第一の本発明のモジュール用基板と同様
の効果を得ることができる。さらに、第三の本発明のモ
ジュール用基板では、放熱部材が角柱状であるため、容
易に小型化を図ることができ、上記モジュール用基板に
半導体素子を搭載したパワーモジュールも容易に小型化
することができる。

【００８９】次に、第三の本発明のモジュール用基板の
製造方法について説明する。第三の本発明のモジュール
用基板に係る放熱部材には、例えば、上述した金属又は
合金からなる内部に空洞を有する四角柱状体を用いるこ
とができる。

【００９０】そして、上記放熱部材の少なくとも３つの
側面に粗化処理を施す。上記粗化処理としては、上記第
一の本発明のモジュール用基板の製造方法において説明
した方法と同様の方法を採用することができるため、こ
こではその説明を省略する。

【００９１】その後、上記第一の本発明のモジュール用
基板の製造方法と同様にして、絶縁性基板を製造し、こ
の絶縁性基板を上記放熱部材の対向する２つの側面に、
接着層を介して接合した後、上記絶縁性基板の一の主面
に導体回路を形成することで、第三の本発明のモジュー
ル用基板を製造することができる。

【００９２】次に、第四の本発明のモジュール用基板に
ついて説明する。第四の本発明のモジュール用基板は、
その内部に冷却媒体を循環させるための流路が形成され
た四角柱状の冷却部材の周囲に放熱板が配置され、対向
する上記放熱板に絶縁性基板が形成されるとともに、上
記放熱板上に導体回路が形成された半導体素子を搭載す
るためのモジュール用基板であって、上記絶縁性基板
は、少なくとも上記導体回路が形成された部分に設けら
れ、上記放熱部材は、常温〜３００℃における熱伝導率
が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなり、上記
接着層との界面に粗化面が形成されていることを特徴と
する。

【００９３】第四の本発明のモジュール用基板は、放熱
板の内部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられ
ておらず、冷却媒体を循環させるための流路を有する四
角柱状の冷却部材の三方の周囲に放熱板が配置されてい
るほかは、上述した第三の本発明のモジュール用基板と
略同様の構成及び材料からなるものである。従って、第
四の本発明のモジュール用基板は、上述した第三の本発
明のモジュール用基板と同様の効果を得ることができ
る。

【００９４】図４（ａ）は、第三の本発明のモジュール
用基板の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュ
ールの一例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、
（ａ）に示した冷却部材の水平断面図である。なお、図
４（ｂ）に示した矢印は、冷却媒体の流れを示してい
る。

【００９５】図４（ａ）に示した通り、第三の本発明に
係るパワーモジュール４０において、モジュール用基板
４００は、その内部に冷却媒体を流通させるための流路
４３が形成された四角柱状の冷却部材４３０と、冷却部
材４３０の左右及び上面に形成された放熱板４１と、左
右の放熱板４１にそれぞれ接着層４４を介して配置され
た板状の絶縁性基板４２と、両者を接合するための接着
層４４とから構成されており、この絶縁性基板４２の上
には導体回路４５が形成されている。また、図示はしな
いが、放熱板４１の接着層４４との界面には粗化面が形
成されている。そして、パワーモジュール４０は、モジ
ュール用基板４００の上面に、半導体素子４６が接合層
４７を介して直接搭載され、この半導体素子４６と導体
回路４５とが、ワイヤー４５ａを用いたワイヤーボンデ
ィングにより接続されている。また、図示はしないが、
放熱板４１の接合層４７との界面には粗化面が形成され
ている。

【００９６】第四の本発明のモジュール用基板４００
は、放熱板４１の内部に冷却媒体を循環させるための流
路が設けられておらず、放熱板４１の下方に冷却媒体を
循環させるための流路４３を有する四角柱状の冷却部材
４３０が配置されているほかは、上述した第三の本発明
のモジュール用基板３００と略同様の構成及び材料から
なるものである。従って、ここでは、主に冷却部材４３
０及び放熱板４１について説明することとする。

【００９７】図４に示した通り、冷却部材４３０は、図
３を用いて説明した放熱部材３１と略同様の構造であ
る。即ち、その内部に冷却媒体を循環させるための流路
４３が形成された四角柱状である。このような冷却部材
４３０の大きさとしては特に限定されず、その外周に配
置される放熱板４１の厚さ、半導体素子４６及び導体回
路４５の大きさ等を考慮して適宜調整される。また、そ
の長さは、冷却部材４３０の周囲に形成する半導体素子
４６及び導体回路４５の数に合わせて適宜調整される。
なお、図４（ｂ）において、半導体素子４６及び導体回
路４５はモジュール用基板４００に４個形成されている
が、半導体素子４６及び導体回路４５の数はこれに限定
されることはなく、３個以下であってもよく、５個以上
であってもよい。

【００９８】また、冷却部材４３０の内部に形成されて
いる流路４３の大きさも特に限定されず、冷却部材４３
０や放熱板４１を構成する材料の熱伝導率、搭載する半
導体素子４６の発熱量等を勘案して適宜決定される。

【００９９】また、冷却部材４３０を構成する材料は、
第一の本発明のモジュール用基板１００で説明した放熱
板１１と同様の材料を挙げることができる。また、放熱
板４１と冷却部材４３０とは、同じ材料からなることが
望ましい。接合が容易だからである。また、この冷却部
材４３０の少なくとも３つの側面には、放熱板４１が半
田層を介して接合されている。

【０１００】放熱板４１は板状であり、このような放熱
板４１を構成する材料も第一の本発明のモジュール用基
板１００で説明した放熱板１１と同様の材料を挙げるこ
とができる。また、放熱板４１の接着層４４との界面に
は、第一の本発明のモジュール用基板１００の放熱板１
１と同様の粗化面が形成されている。さらに、放熱板４
１の半導体素子４６を放熱板４１に直接搭載するための
接合層４７との界面にも、上記粗化面と同様の粗化面が
形成されている。

【０１０１】このように、第四の本発明のモジュール用
基板は、放熱板の内部に冷却媒体を循環させるための流
路が設けられておらず、その内部に流路が形成された冷
却部材の側面に放熱板が配置された構造であるほかは、
上述した第三の本発明のモジュール用基板と略同様の構
成及び材料からなるものであるため、上述した第三の本
発明のモジュール用基板と同様の効果を得ることができ
る。

【０１０２】次に、第四の本発明のモジュール用基板の
製造方法について説明する。第四の本発明のモジュール
用基板に係る冷却部材には、例えば、上述した金属又は
合金からなる内部に空洞を有する四角柱状体を用いるこ
とができる。

【０１０３】そして、上記冷却部材の少なくとも３つの
側面に半田、ろう材、溶接等により放熱板を接合する。
上記放熱板としては、上記冷却部材と同様の材料を用い
ることができる。

【０１０４】次に、上記放熱板の表面に粗化処理を施
す。上記粗化処理としては、上記第一の本発明のモジュ
ール用基板の製造方法において説明した方法と同様の方
法を採用することができるため、ここではその説明を省
略する。

【０１０５】その後、上記第一の本発明のモジュール用
基板の製造方法と同様にして、絶縁性基板を製造し、こ
の絶縁性基板を対向する上記放熱板に、それぞれ接着層
を介して接合した後、上記絶縁性基板の一の主面に導体
回路を形成することで、第四の本発明のモジュール用基
板を製造することができる。

【０１０６】なお、予め粗化面を形成した２つの放熱板
の上記粗化面上に、接着層を介して絶縁性基板を接合
し、該絶縁性基板の一の主面に導体回路を形成した後、
この放熱板を上記冷却部材の対向する側面に、それぞれ
半田等により接合し、これらの放熱板に挟まれた上記冷
却部材の側面に粗化面を形成した放熱板を半田等により
接合することでも第四の本発明のモジュール用基板を製
造することができる。

【０１０７】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【０１０８】実施例１（図１参照）（１）放熱板の作製その組成がＣｕ９０重量％、Ｚｒ１０重量％からなる内
部に空洞を有する厚さが１．０ｍｍの柱状体を、縦：７
０ｍｍ、横：１３０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの接合体とな
るようにろう付けし、上記板状体の開口が形成された両
端部に注入口１３ａ、排出口１３ｂとなる銅製の管をろ
う付けにより接合することで、放熱板１１を作製した。
この放熱板１１の熱伝導率は２７０Ｗ／ｍ・Ｋであっ
た。

【０１０９】そして、上記実施の形態で説明した方法に
より、放熱板１１の一方の主面に黒化還元処理を施し、
ＪＩＳＢ０６０１によるＲａが０．１μｍの粗化面
を形成した。このとき、粗化面を形成したくない面には
保護層を形成しておき、粗化処理を終えた後、保護層を
除去した。

【０１１０】（２）絶縁性基板の作製まず、窒化アルミニウム粉末（平均粒径：０．６μｍ）
１００重量部、イットリア（平均粒径：０．４μｍ）４
重量部、アクリルバインダー１２重量部及びアルコール
からなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末
を作製した。

【０１１１】次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平
板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。

【０１１２】次に、この生成形体を１８００℃、圧力２
０ＭＰａでホットプレスし、厚さ２ｍｍの窒化アルミニ
ウム基板を８個製造した。続いて、この窒化アルミニウ
ム基板の一主面に、厚さ０．４ｍｍのアルミニウムから
なる導体回路１５を、Ａｌ−Ｓｉを含有するろう材を用
いて接合し絶縁性基板１２を製造した。

【０１１３】そして、放熱板１１の粗化面を形成した面
の両端部付近に半田ペーストを塗布し、この半田ペース
トと絶縁性基板１２の導体回路１５を形成した主面の反
対面とが当接するように、絶縁性基板１２を放熱板１１
の両側に４個ずつ離間した状態で並べて載置し、上記半
田ペーストをリフローすることで、接着層１４を形成し
て放熱板１１と絶縁性基板１２とを接合し、第一の本発
明のモジュール用基板１００を製造した。

【０１１４】得られたモジュール用基板１００を、−５
５℃に保った後、１５０℃に保つヒートサイクルを１０
００回繰り返すヒートサイクル試験に供した後、モジュ
ール用基板１００を縦に切断し、放熱板１１と絶縁性基
板１２との接合状態（接着層１４）を顕微鏡で観察した
が、クラック等は全く観察されなかった。

【０１１５】次に、このモジュール用基板１００に、４
個のＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱板１１の冷却媒体用の
流路１３に水を循環させながらパワーモジュール１０を
実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したが、Ｉ
ＧＢＴ素子は、素子として充分に機能し得る温度を保持
していた。

【０１１６】実施例２（図２参照）まず、その組成がＣｕ：９７．６７重量％、Ｆｅ：２．
３０重量％、Ｐ：０．０３重量％、Ｚｎ：０．１０重量
％からなる内部に空洞を有する柱状体を、実施例１の
（１）の工程と同様の方法で接合して、冷却部材２３０
を作製した。次に、冷却部材２３０と同様の材料を用い
て、板状の放熱板２１を作製し、この両面に、上記実施
の形態で説明した方法により黒化還元処理を施し、ＪＩ
ＳＢ０６０１によるＲａが０．１μｍの粗化面を形成
した。この後、放熱板２１と冷却部材２３０とを半田で
接合した。これらの部材の熱伝導率は２６２Ｗ／ｍ・Ｋ
であった。

【０１１７】そして、その後、実施例１の（２）と同様
の工程を行い、第二の本発明のモジュール用基板２００
を製造した。

【０１１８】また、得られたモジュール用基板２００を
実施例１と同条件でヒートサイクル試験したところ、接
着層２４にはクラックが全く観測されなかった。

【０１１９】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板２００に、４個のＩＧＢＴ素子を搭載し、冷却
部材２３０の冷却媒体用の流路２３に水を循環させなが
らパワーモジュール２０を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素
子の温度を測定したが、ＩＧＢＴ素子は、素子として充
分に機能し得る温度を保持していた。

【０１２０】実施例３（図３参照）実施例１の放熱板１１と同様の材料からなり、その内部
に空洞を有する四角柱状体に機械加工を施すことで、四
角柱状の放熱部材３１を作製した。この放熱部材３１の
熱伝導率は２７０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【０１２１】そして、実施例１と同様にして放熱部材３
１の左右及び上面に粗化処理を施して、ＪＩＳＢ０
６０１によるＲａが０．１μｍの粗化面を形成した。こ
のとき、粗化面を形成したくない面には保護層を形成し
ておき、粗化処理を終えた後、保護層を除去した。

【０１２２】そして、その後、実施例１の（２）と同様
の工程を行い、放熱部材３１の左右の側面に接着層３４
を介して絶縁性基板３２を４個ずつ離間して形成し、こ
の絶縁性基板３２の上に導体回路３５を形成すること
で、第三の本発明のモジュール用基板３００を製造し
た。

【０１２３】また、得られたモジュール用基板３００を
実施例１と同条件でヒートサイクル試験したところ、接
着層３４にはクラックが全く観測されなかった。

【０１２４】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板３００に、４個のＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱
部材３１の冷却媒体用の流路３３に水を循環させながら
パワーモジュール３０を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子
の温度を測定したが、ＩＧＢＴ素子は、素子として充分
に機能し得る温度を保持していた。

【０１２５】実施例４（図４参照）実施例２の冷却部材２３０と同様の材料からなり、その
内部に空洞を有する四角柱状体に機械加工を施すこと
で、四角柱状の冷却部材４３０を作製した。次に、冷却
部材４３０と同様の材料を用いて、板状の放熱板４１を
作製し、この両面に、上記実施の形態で説明した方法に
より黒化還元処理を施し、ＪＩＳＢ０６０１によるＲ
ａが０．１μｍの粗化面を形成した。この後、放熱板４
１を、冷却部材４３０の３つの側面に半田で接合した。
これらの部材の熱伝導率は２６２Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【０１２６】そして、その後、実施例１の（２）と同様
の工程を行い、冷却部材４３０の左右の側面に接合した
放熱板４１に、接着層４４を介して絶縁性基板４２を４
個ずつ離間して形成し、この絶縁性基板４２の上に導体
回路４５を形成することで、第四の本発明のモジュール
用基板３００を製造した。

【０１２７】また、得られたモジュール用基板４００を
実施例１と同条件でヒートサイクル試験したところ、接
着層４４にはクラックが全く観測されなかった。

【０１２８】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板４００に、４個のＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱
部材４１の冷却媒体用の流路３３に水を循環させながら
パワーモジュール４０を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子
の温度を測定したが、ＩＧＢＴ素子は、素子として充分
に機能し得る温度を保持していた。

【０１２９】実施例５絶縁性基板の接着層に面することになる面に、放熱板に
形成した粗化面と同様の粗化面を研磨処理により形成し
たほかは、実施例１と同様にしてモジュール用基板を製
造した。

【０１３０】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にはクラ
ックが全く観測されなかった。

【０１３１】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱板の冷却媒体
用の流路に水を循環させながらパワーモジュールを実際
に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したが、ＩＧＢ
Ｔ素子は、素子として充分に機能し得る温度を保持して
いた。

【０１３２】比較例１絶縁性基板を、放熱板一の主面の全体に形成し、上記放
熱板に粗化面を形成しなかったほかは、実施例１と同様
にしてモジュール用基板を製造した。

【０１３３】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にクラッ
クが発生し、絶縁性基板に僅かに割れが発生していた。

【０１３４】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、放熱板の冷却媒体
用の流路に水を循環させながらパワーモジュールを実際
に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したところ、Ｉ
ＧＢＴ素子は、時間の経過とともに温度が上昇し、素子
として充分に機能し得る温度を超えてしまった。これ
は、時間の経過とともに放熱板と絶縁性基板とを接合す
る接着層にクラック、及び、絶縁性基板に割れが発生し
たため、放熱板とＩＧＢＴ素子との間の熱交換がスムー
ズに行えなくなったからであると考えられる。

【０１３５】比較例２冷却部材の代わりに、空冷フィンを設けたほかは実施例
２と同様にしてモジュール用基板を製造した。

【０１３６】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にクラッ
クは観測されなかった。

【０１３７】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載してパワーモジュール
を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したとこ
ろ、ＩＧＢＴ素子は、時間の経過とともに徐々に温度が
上昇し、最終的には素子として充分に機能し得る温度を
超えてしまった。これは、放熱板と接着層との接着強度
は非常に優れていたため、上記接着層にクラックが発生
することはなかったものの、上記ＩＧＢＴ素子の冷却効
率が劣っていたため、時間の経過とともに、上記ＩＧＢ
Ｔ素子の温度が徐々に上昇し、最終的に素子として充分
に機能し得る温度を超えてしまったものと考えられる。

【０１３８】

【発明の効果】以上、説明した通り、第一の本発明のモ
ジュール用基板は、放熱板の熱伝導率が充分に高く、放
熱板と絶縁性基板との接着強度にも優れ、かつ、半導体
素子の冷却効率に優れるため、温度サイクルに対する耐
久性に優れ、発熱量の大きい半導体素子を搭載するため
の基板として好適に用いることができる。

【０１３９】また、第二の本発明のモジュール用基板
は、放熱板の熱伝導率が充分に高く、放熱板と絶縁性基
板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素子の冷却効率
に優れるため、温度サイクルに対する耐久性に優れ、発
熱量の大きい半導体素子を搭載するための基板として好
適に用いることができる。

【０１４０】また、第三の本発明のモジュール用基板
は、放熱部材の熱伝導率が充分に高く、放熱部材と絶縁
性基板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素子の冷却
効率に優れるため、温度サイクルに対する耐久性に優
れ、発熱量の大きい半導体素子を搭載するための基板と
して好適に用いることができる。さらに、第三の本発明
のモジュール用基板は、容易に小型化を図ることができ
る。

【０１４１】また、第四の本発明のモジュール用基板
は、放熱板の熱伝導率が充分に高く、放熱板と絶縁性基
板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素子の冷却効率
に優れるため、温度サイクルに対する耐久性に優れ、発
熱量の大きい半導体素子を搭載するための基板として好
適に用いることができる。さらに、第四の本発明のモジ
ュール用基板は、容易に小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、第一の本発明のモジュール用基板の
一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの一
例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に
示したモジュール用基板を構成する放熱板の水平断面図
である。

【図２】（ａ）は、第二の本発明のモジュール用基板の
一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの一
例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に
示したモジュール用基板を構成する放熱板の水平断面図
である。

【図３】（ａ）は、第三の本発明のモジュール用基板の
一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの一
例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に
示したモジュール用基板の側面図である。

【図４】（ａ）は、第四の本発明のモジュール用基板の
一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの一
例を模式的に示した正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に
示したモジュール用基板の側面図である。

【図５】従来のパワーモジュールの一例を模式的に示し
た正面図である。

【符号の説明】

１０、２０、３０、４０パワーモジュール１１、２１、４１放熱板３１放熱部材１２、２２、３２、４２絶縁性基板１３、２３、３３、４３流路１４、２４、３４、４４接着層１５、２５、３５、４６導体回路１５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａワイヤー１６、２６、３６、４６半導体素子１００、２００、３００、４００モジュール用基板２３０、４３０冷却部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一主面に導体回路が形成された絶縁性基
板と、放熱板とを含んで構成されたモジュール用基板で
あって、前記放熱板には、半導体素子を、接合層を介し
て直接搭載するための領域が確保され、前記絶縁性基板
は、少なくとも前記導体回路が形成された部分を含む領
域に、２以上に分割されて設けられているとともに、前
記放熱板と接着層を介して接合され、さらに、前記放熱
板は、常温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ
・Ｋ以上の金属又は合金からなり、前記接合層及び前記
接着層との界面に粗化面が形成されるとともに、その内
部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられている
ことを特徴とするモジュール用基板。
【請求項２】一主面に導体回路が形成された絶縁性基
板と、放熱板と、冷却部材とを含んで構成されたモジュ
ール用基板であって、前記放熱板には、半導体素子を、
接合層を介して直接搭載するための領域が確保され、前
記絶縁性基板は、少なくとも前記導体回路が形成された
部分を含む領域に、２以上に分割されて設けられている
とともに、前記放熱板と接着層を介して接合され、さら
に、前記放熱板は、常温〜３００℃における熱伝導率が
１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなるととも
に、前記接合層及び前記接着層との界面に粗化面が形成
され、前記冷却部材は、前記放熱板の下方に配置され、
その内部に冷却媒体を循環させるための流路が設けられ
ていることを特徴とするモジュール用基板。
【請求項３】四角柱状の放熱部材の内部に冷却媒体を
循環させるための流路が形成され、前記放熱部材の対向
する２つの側面に絶縁性基板が形成されるとともに、前
記絶縁性基板上に導体回路が形成された半導体素子を搭
載するためのモジュール用基板であって、前記絶縁性基
板は、少なくとも前記導体回路が形成された部分に設け
られ、前記放熱部材は、常温〜３００℃における熱伝導
率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなり、前
記接着層との界面に粗化面が形成されていることを特徴
とするモジュール用基板。
【請求項４】その内部に冷却媒体を循環させるための
流路が形成された四角柱状の冷却部材の周囲に放熱板が
配置され、対向する前記放熱板に絶縁性基板が形成され
るとともに、前記放熱板上に導体回路が形成された半導
体素子を搭載するためのモジュール用基板であって、前
記絶縁性基板は、少なくとも前記導体回路が形成された
部分に設けられ、前記放熱部材は、常温〜３００℃にお
ける熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金か
らなり、前記接着層との界面に粗化面が形成されている
ことを特徴とするモジュール用基板。
【請求項５】放熱部材は、銅を主成分とする合金から
なる請求項１〜４のいずれか１記載のモジュール用基
板。
【請求項６】絶縁性基板は、窒化アルミニウム、窒化
珪素、炭化珪素及び金属酸化物から選択される少なくと
も１種のセラミック、又は、絶縁性樹脂からなる請求項
１〜５のいずれか１記載のモジュール用基板。
【請求項７】接着層に面した絶縁性基板の界面に粗化
面が形成されている請求項１〜６のいずれか１記載のモ
ジュール用基板。