JP2003060137A - モジュール用基板 - Google Patents

モジュール用基板

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JP2003060137A
JP2003060137A JP2001241339A JP2001241339A JP2003060137A JP 2003060137 A JP2003060137 A JP 2003060137A JP 2001241339 A JP2001241339 A JP 2001241339A JP 2001241339 A JP2001241339 A JP 2001241339A JP 2003060137 A JP2003060137 A JP 2003060137A
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insulating substrate
substrate
module substrate
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Toshikazu Amino
俊和 網野
Haruo Doi
晴夫 土井
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Ibiden Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【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。 【解決手段】 一主面に導体回路15が形成された絶縁
性基板12と、放熱部材13とを含んで構成されたモジ
ュール用基板100であって、上記放熱部材13には、
半導体素子16を接合層17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12は、少なくとも
上記導体回路15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、上記放熱部材
13と接着層14を介して接合され、さらに、上記放熱
部材13は、常温〜300℃における熱伝導率が100
W/m・K以上の金属又は合金からなり、上記接合層1
7及び上記接着層14との界面に粗化面が形成されると
ともに、空冷による放熱手段を備えている基板。

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】しかしながら、このような構造からなる従
来のパワーモジュールは、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ず、半導体素子の冷
却効率が充分なものとはいい難かった。そのため、例え
ば、上記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、上述したよ
うな構造の従来のパワーモジュールでは、上記半導体素
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。
【0006】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、放熱部材及び/又は放熱板
の熱伝導率が充分に高く、放熱部材又は放熱板と絶縁性
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、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、上記放熱部
材には、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、上記放熱部材と接着
層を介して接合され、さらに、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、空冷による放熱手段
を備え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、放熱部材とを含
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、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
合金からなるとともに、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ており、上記放熱板の下方には
空冷による放熱手段を備えた放熱部材が配置されている
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、空冷による放熱手
段を備えた四角柱状の放熱部材の対向する2つの側面
に、接着層を介して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、空冷による放熱手
段を備えた四角柱状の放熱部材の周囲に放熱板が配置さ
れ、対向する上記放熱板に接着層を介して絶縁性基板が
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、上記放熱板は、常温〜3
00℃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、上記放熱部材には、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
記放熱部材と接着層を介して接合され、さらに、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、空
冷による放熱手段を備え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、放熱部材には、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
部材に上記半導体素子を直接搭載することができるた
め、放熱部材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、上記半導体素子の過
度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、上記放熱部材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、上記放熱部材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、放熱部材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、空冷による放熱手段が備えられていることか
らも、上記モジュール用基板の上部に搭載した半導体素
子と上記放熱部材との熱交換を非常にスムーズに行うこ
とができ、その結果、上記半導体素子の過度の温度上昇
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、上記放熱部材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、上記放熱部材の上記接合層と
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、上記放熱部材と上記接合層との
間を熱が伝導しやすくなるのである。さらに、上記放熱
部材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、上記放熱部材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、上記放熱部材
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、上記放熱部材の上記接着層との界面に形成された粗
化面は、主に上記放熱部材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る。
【0018】図1に示したように、第一の本発明のモジ
ュール用基板100は、その下面に放熱フィン130が
設けられた放熱部材13と、放熱部材13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、放熱部材1
3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1
00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、放熱部材13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、放熱部材13には、半導体素子16を、接合層
17を介して直接搭載するための領域が確保されてい
る。放熱部材13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におい
て、半導体素子を搭載するための領域は、放熱部材13
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】放熱部材13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。放熱部材13の常温〜300℃における
熱伝導率が100W/m・K未満であると、放熱部材1
3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。放熱部材13の熱伝導率は、200W/m・K以上
であることがより望ましい。
【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又はアルミニウムであるこ
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、上記Cuを主成分とする合金はCuとZrとからな
る合金であることが望ましい。
【0022】また、放熱部材13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、放熱部材13に粗化面が形成されることで、放熱
部材13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、放熱部材13と接合層17及び接着層1
4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16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、放熱部材13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、放熱部材13
と接合層17とについては、これらの接触面積が大きく
なるため、放熱部材13と接合層17との間を熱が伝導
しやすくなり、放熱部材13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
部材13の接着層14との界面に形成された粗化面は、
主に放熱部材13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、JIS B 0
601に規定されるRaで0.01〜0.5μm程度で
あることが望ましい。放熱部材13と接合層17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、放熱部材13の下面には、真っ直ぐ
な溝状の凹部が等間隔に並設された構造の放熱フィン1
30が形成されているため、放熱部材13は、その表面
積が大きくなり、半導体素子16の冷却効率が優れたも
のとなっている。即ち、放熱部材13を常に低温状態に
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16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】また、放熱フィン130の形状は、図1に
示したような真っ直ぐな溝状の凹部が等間隔に並設され
たものに限定されることはなく、放熱部材の表面積を大
きくすることができる形状であれば、例えば、同心円状
や螺旋状の凹部が形成された構造や、多数の突起部が形
成されたような構造等であってもよい。なお、このよう
な放熱フィンの表面積等は、搭載する半導体素子16の
発熱量等に併せて適宜決定される。
【0026】さらに、モジュール用基板100は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材13が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材13の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
13を低温状態に保持し、半導体素子16が過度に加熱
されることを防止することができる。
【0027】接着層14は、放熱部材13と絶縁性基板
12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、放熱部
材13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、放熱部材13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を介して放熱部材13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と放熱部材
13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1
2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、放熱部材13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と放熱部材13
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、上述した放熱部材1
3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を放熱部材13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、A
g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、応力緩和層が形成されてい
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との間に応力緩和層を設けること
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。このような応力緩和層を構成する材
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、放熱部材に、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、半導体素子と放熱部材との熱交換を非常にスムーズ
に行うことができるため、上記放熱部材の温度上昇を防
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、放熱部材と絶縁性基板との
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、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、空冷による放熱手段を備えている。従っ
て、放熱部材と、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、放熱部材と、接合層及び接着層との接触面積
が大きくなるため、放熱部材と、接合層及び接着層との
間を熱が伝導しやすくなり、空冷による放熱手段によっ
て低温状態に保たれた放熱部材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部材は、例えば、上述した金
属又は合金からなる板状体に、切削加工を施して、例え
ば、溝状の凹部を一定の間隔で多数設けることで、図1
に示したような、空冷による放熱手段(放熱フィン)を
備えた放熱部材を作製することができる。このとき、上
記切削加工の加工条件は、目的とするモジュール用基板
に搭載する半導体素子の発熱量や、上記金属又は合金の
熱伝導率等を考慮して適宜決定される。
【0052】次に、この放熱部材の一方の主面(上記放
熱フィンに対向する面)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(50g/l)、N
PO(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(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部材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、放熱部材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部材表面に形成
する粗化面の面粗度は、JIS B0601に規定され
るRaで0.01〜0.5μm程度であることが望まし
い。放熱部材と、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を形成するた
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)やBC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、上記放熱部材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、放熱部材と絶縁
性基板とを接合した際、上記放熱部材には、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、
上記放熱部材と絶縁性基板とを半田で接合するには、上
記放熱部材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部材と絶縁性基板とを接合
することで、上記放熱部材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、放熱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、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るとともに、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ており、上
記放熱板の下方には空冷による放熱手段を備えた放熱部
材が配置さ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、空冷
による放熱手段を備えた放熱部材と絶縁性基板等との間
に放熱板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ある。
【0070】図2に示した通り、第二の本発明のモジュ
ール用基板200は、その下面に放熱フィン230が設
けられた放熱部材23と、放熱部材23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、放熱部材23
と放熱板21とは、放熱板21の底面に設けられたネジ
部28とナット29とにより固定されており、さらに、
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2
0は、モジュール用基板200の上面に、半導体素子2
6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】即ち、第二の本発明のモジュール用基板2
00は、上述した第一の本発明のモジュール用基板10
0の放熱部材13と略同じ構造の放熱部材23の上に放
熱板21が形成され、この放熱板21上に接着層24を
介して絶縁性基板22等が形成された構造となってお
り、第一の本発明のモジュール用基板100と第二の本
発明のモジュール用基板200との相違点は、放熱板2
1の有無のみである。従って、ここでは、主に放熱板2
1について説明することとする。
【0072】放熱板21は板状であり、このような放熱
板21は、第一の本発明のモジュール用基板100で説
明した放熱部材13と同様の材料からなるものである。
また、放熱板21の接着層24との界面には、第一の本
発明のモジュール用基板100の放熱部材13と同様の
粗化面が形成されている。
【0073】また、第二の本発明のモジュール用基板2
00において、放熱板21から突出した突起部が、放熱
部材23に設けられた開口に嵌合されることにより、放
熱部材23が放熱板21に固定されていることが望まし
い。放熱部材23と放熱板21との熱膨張係数にある程
度差がある場合であっても、放熱部材23と放熱板21
とをしっかりと固定することができるからである。具体
的には、図2に示したように、放熱部材23の上面に設
けた開口(図示せず)に、放熱板21の底面に設けたネ
ジ部28(突起部)を差し込み、ナット29で締め付け
ることで、放熱部材23と放熱板21とを固定すること
ができる。なお、第二の本発明のモジュール用基板20
0において、放熱部材23と放熱板21との固定方法
は、これに限定されることはなく、例えば、両者を半
田、ろう材、接着剤等により固定してもよい。
【0074】さらに、モジュール用基板200は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材23が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材23の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
23を低温状態に保持し、半導体素子26が過度に加熱
されることを防止することができるからである。
【0075】このように、第二の本発明のモジュール用
基板は、空冷による放熱手段を備えた放熱部材の上に、
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、接着層との界面には粗化面
が形成された放熱板が形成されているほかは、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
用基板を構成する放熱部材は、上述した第一の本発明の
モジュール用基板において説明した放熱部材と同様にし
て作製することができる。
【0077】次に、上記放熱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】また、上記放熱板から突出した突起部が、
上記放熱部材に設けられた開口に嵌合することにより、
上記放熱部材が上記放熱板に固定されることが望まし
い。具体的には、例えば、上記放熱部材をネジにより上
記放熱板に固定するには、まず、放熱部材に開口を形成
し、放熱板の上記放熱部材と接合する面にネジ溝を有す
るネジ部を設ける。そして、上記放熱部材に形成した開
口に、放熱板に設けたネジ部を挿入し、放熱部材の開口
を形成した面の反対側面からナット等を用いて、上記ネ
ジ部を締め付けることにより、放熱部材と放熱板とを固
定することができる。なお、上記放熱部材及び放熱板に
設けた開口とネジ部とは、放熱部材と放熱板とを重ね合
わせた際、互いに対向する位置に設けられている。
【0079】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。
【0080】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、
空冷による放熱手段を備えた四角柱状の放熱部材の対向
する2つの側面に、接着層を介して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。
【0081】第三の本発明のモジュール用基板は、空冷
による放熱手段を備え、四角柱状の放熱部材の対向する
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、小型化を図ることができ
る。
【0082】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)に示したパワーモジュールの側面図である。
【0083】図3(a)に示した通り、第三の本発明の
モジュール用基板300は、その内部に多数の貫通孔3
30が設けられた四角柱状の放熱部材33と、放熱部材
33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33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33の接合層37との界面には粗化面
が形成されている。
【0084】第三の本発明のモジュール用基板300
は、空冷による放熱手段(貫通孔330)を備えた放熱
部材33が四角柱状となっており、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、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33について説
明することとする。
【0085】図3(a)に示した通り、四角柱状の放熱
部材33には、空冷による放熱手段として多数の貫通孔
330が設けられている。放熱部材33に設けられてい
る貫通孔330の大きさ、個数等は特に限定されず、放
熱部材33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。なお、
四角柱状の放熱部材33において、上記空冷による放熱
手段としては、放熱部材33の表面積を大きくすること
ができる構造であれば、特に図3に示したような貫通孔
330に限定されることはなく、例えば、四角柱状の放
熱部材を中空体とし、その内壁面に多数の放熱フィンが
形成された構造であってもよい。
【0086】放熱部材33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33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3
00の一方の側面に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。
【0087】さらに、モジュール用基板300は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材33が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材33の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
33を低温状態に保持し、半導体素子36が過度に加熱
されることを防止することができるからである。
【0088】また、放熱部材33を構成する材料は、第
一の本発明のモジュール用基板100で説明した放熱部
材13と同様の材料を挙げることができる。また、放熱
部材33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の放熱部材13と同様の粗化面が
形成されている。さらに、放熱部材33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。
【0089】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。
【0090】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、放熱部材が四角柱状であるため、
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。
【0091】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は、例えば、上述した金属又は合
金からなる柱状体の長さ方向に複数の貫通孔を形成した
り、上記金属又は合金からなり、その内部に空洞を有す
る四角柱状体を複数個長さ方向に揃えて接合することに
より図3に示したようなその内部に多数の貫通孔が形成
された放熱部材を作製することができる。また、これら
の貫通孔は、互いに横穴で連通していてもよい。
【0092】なお、空冷による放熱手段として放熱フィ
ンを用いる場合、上述した金属又は合金からなる板状体
の一方の主面に、該板状体と同じ材料の放熱フィンとな
る板材を複数個並べて接合し、この放熱フィンが接合さ
れた面が内側を向くように、上記板状体を接合して柱状
体を作製することで、その内部に放熱フィンが設けられ
た放熱部材を作製することができる。また、上記板状体
の主面に接合する放熱フィンとなる板材は、その高さ
が、上記板状体の中央部分に接合するものを最も高く
し、上記板状体の両端に向かう程低くなるようにするこ
とで、作製する柱状体に、より多くの放熱フィンを設け
ることができる。
【0093】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。
【0094】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。
【0095】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、
空冷による放熱手段を備えた四角柱状の放熱部材の周囲
に放熱板が配置され、対向する上記放熱板に接着層を介
して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。
【0096】第四の本発明のモジュール用基板は、空冷
による放熱手段を備え、四角柱状の放熱部材の三方の周
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。
【0097】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)に示したパワーモジュールの側面図である。
【0098】図4(a)に示した通り、第四の本発明の
モジュール用基板400は、その内部に多数の貫通孔4
30が設けられた四角柱状の放熱部材43と、放熱部材
43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4
4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4
7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。
【0099】第四の本発明のモジュール用基板400
は、空冷による放熱手段(貫通孔430)を備えた放熱
部材43の左右及び上面に放熱板41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30
0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、主に放熱部材43及び放熱板41につい
て説明することとする。
【0100】図4(a)に示した通り、放熱部材43
は、図3を用いて説明した放熱部材33と略同様の構造
である。即ち、四角柱状の放熱部材43の内部には、空
冷による放熱手段として多数の貫通孔430が設けられ
ている。放熱部材43に設けられている貫通孔430の
大きさ、個数等は特に限定されず、放熱部材43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。なお、四角柱状の放熱部
材43において、上記空冷による放熱手段としては、放
熱部材43の表面積を大きくすることができる構造であ
れば、特に図4に示したような貫通孔430に限定され
ることはなく、例えば、四角柱状の放熱部材を中空体と
し、その内壁面に多数の放熱フィンが形成された構造等
であってもよい。
【0101】放熱部材43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、放熱部材43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の一
方の側面に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。
【0102】さらに、モジュール用基板400は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材43が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材43の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
43を低温状態に保持し、半導体素子46が過度に加熱
されることを防止することができるからである。
【0103】また、放熱部材43を構成する材料は、第
一の本発明のモジュール用基板100で説明した放熱部
材13と同様の材料を挙げることができる。また、放熱
板41と放熱部材43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、この放熱部材
43の少なくとも3つの側面には、放熱板41が半田層
等を介して接合されている。
【0104】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で説明した放熱部材13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の放熱部
材13と同様の粗化面が形成されている。さらに、放熱
板41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。
【0105】このように、第四の本発明のモジュール用
基板は、その内部に空冷による放熱手段が備えられた放
熱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。
【0106】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
用基板に係る放熱部材は、例えば、上述した金属又は合
金からなる柱状体の長さ方向に複数の貫通孔を形成した
り、上記金属又は合金からなり、その内部に空洞を有す
る四角柱状体を複数個長さ方向に揃えて接合することに
より図4に示したようなその内部に多数の貫通孔が形成
された放熱部材を作製することができる。また、これら
の貫通孔は、互いに横穴で連通していてもよい。
【0107】なお、空冷による放熱手段として放熱フィ
ンを用いる場合、上述した金属又は合金からなる板状体
の一方の主面に、該板状体と同じ材料の放熱フィンとな
る板材を複数個並べて接合し、この放熱フィンが接合さ
れた面が内側を向くように、上記板状体を接合して柱状
体を作製することで、その内部に放熱フィンが設けられ
た放熱部材を作製することができる。また、上記板状体
の主面に接合する放熱フィンとなる板材は、その高さ
が、上記板状体の中央部分に接合するものを最も高く
し、上記板状体の両端に向かう程低くなるようにするこ
とで、作製する板状体に、より多くの放熱フィンを設け
ることができる。
【0108】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。
【0109】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。
【0110】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。
【0111】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、
この放熱板を上記放熱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放
熱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。
【0112】
【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。
【0113】実施例1(図1参照) (1)放熱板の作製 縦:70mm、横:130mm、厚さ:15mmで、そ
の組成がCu90重量%、Zr10重量%である板状体
の下面に、溝状の凹部を30本形成することで、放熱フ
ィン130が形成された放熱部材13を作製した。この
放熱部材13の熱伝導率は270W/m・Kであった。
【0114】そして、上記実施の形態で説明した方法に
より、放熱部材13の放熱フィン130非形成側面に黒
化還元処理を施し、JIS B 0601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。
【0115】(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。
【0116】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。
【0117】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。
【0118】そして、放熱部材13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を放熱部材
13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
成して放熱部材13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。
【0119】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、放熱部材13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。
【0120】次に、このモジュール用基板100に、4
個のIGBT素子を搭載し、放熱部材13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、
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。
【0121】実施例2(図2参照) まず、アルミニウムからなる板状体を、実施例1の
(1)の工程と同様の方法で接合して、放熱部材23を
作製した。次に、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、JIS B 0601によ
るRaが0.1μmの粗化面を形成した。この後、放熱
板21と放熱部材23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。
【0122】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。
【0123】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。
【0124】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。
【0125】実施例3(図3参照) 実施例1の放熱部材13と同様の材料からなる板状体
に、縦:5mm、横:5mmの貫通孔を36個設けて、
四角柱状の放熱部材33を作製した。この放熱部材33
の熱伝導率は270W/m・Kであった。
【0126】そして、実施例1と同様にして放熱部材3
3の左右及び上面に粗化処理を施して、JIS B 0
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。
【0127】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33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。なお、このモジュール用基板300には、放熱部材
33に形成した貫通孔に風を送り込むことができるよう
に、電動ファンを取り付けた。
【0128】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。
【0129】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、パワ
ーモジュール30を実際に作動させ、上記電動ファンで
放熱部材33に設けた貫通孔に風を送りながら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。
【0130】実施例4(図4参照) 実施例2の放熱部材23と同様の材料からなる板状体
に、縦:5mm、横:5mmの貫通孔を36個設けて、
四角柱状の放熱部材43を作製した。次に、放熱部材4
3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、JIS B0601によるRaが0.
1μmの粗化面を形成した。この後、放熱板41を、放
熱部材43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。
【0131】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43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400を製造した。なお、このモジュール用基板4
00には、放熱部材43に形成した貫通孔に風を送り込
むことができるように、電動ファンを取り付けた。
【0132】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。
【0133】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、パワ
ーモジュール40を実際に作動させ、上記電動ファンで
放熱部材43に設けた貫通孔に風を送りながら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。
【0134】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。
【0135】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。
【0136】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。
【0137】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。
【0138】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。
【0139】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。
【0140】比較例2 冷却部材を設けずに、放熱板のみ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。
【0141】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。
【0142】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。
【0143】
【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。
【0144】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。
【0145】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。
【0146】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】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る。
【図2】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 12、22、32、42 絶縁性基板 13、23、33、43 放熱部材 14、24、34、44 接着層 15、25、35、45 導体回路 15a、25a、35a、45a ワイヤー 16、26、36、46 半導体素子 21、41 放熱板 100、200、300、400 モジュール用基板 130、230 放熱フィン 330、430 貫通孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 23/36 M Fターム(参考) 5F036 AA01 BA04 BA24 BB05 BB08 BB21 BC03 BC06 BD01 BD03 BD13 BD14 BD22

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、前記放熱部材には、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、前記放熱部材と接着層を介して接合され、さらに、
    前記放熱部材は、常温〜300℃における熱伝導率が1
    00W/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、空冷による放熱手段を備えていることを特徴とする
    モジュール用基板。
  2. 【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、放熱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
    されており、前記放熱板の下方には空冷による放熱手段
    を備えた放熱部材が配置されていることを特徴とするモ
    ジュール用基板。
  3. 【請求項3】 放熱板から突出した突起部が、放熱部材
    に設けられた開口に嵌合されることにより、前記放熱部
    材が前記放熱板に固定されている請求項2記載のモジュ
    ール用基板。
  4. 【請求項4】 放熱部材は、放熱手段として放熱フィン
    を備えている請求項1〜3のいずれか1記載のモジュー
    ル用基板。
  5. 【請求項5】 空冷による放熱手段を備えた四角柱状の
    放熱部材の対向する2つの側面に、接着層を介して絶縁
    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。
  6. 【請求項6】 空冷による放熱手段を備えた四角柱状の
    放熱部材の周囲に放熱板が配置され、対向する前記放熱
    板に接着層を介して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。
  7. 【請求項7】 放熱部材は、放熱手段として複数の貫通
    孔又は放熱フィンを備えている請求項5又は6記載のモ
    ジュール用基板。
  8. 【請求項8】 冷却ファンにより、放熱部材が冷却され
    るように構成されている請求項1〜7のいずれか1記載
    のモジュール用基板。
  9. 【請求項9】 放熱部材は、銅を主成分とする合金又は
    アルミニウムからなる請求項1〜8のいずれか1記載の
    モジュール用基板。
  10. 【請求項10】 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1〜9のいずれか1記載のモジュール用基板。
  11. 【請求項11】 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1〜10のいずれか1記載
    のモジュール用基板。
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