JP2004200571A

JP2004200571A - パワーモジュール用基板及びその製造方法、パワーモジュール

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Publication number: JP2004200571A
Application number: JP2002369875A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Takeshi Negishi; 健根岸; Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】加工性が良好で軽量化を図り、また充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ること。
【解決手段】放熱体１６が金属製の主構成体１７に低熱膨張係数からなるフィラー１８が設けられる。主構成体１７は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金等のような熱伝導率の良好な材質いわゆる高熱伝導材によって形成される。フィラー１８は、適度の大きさを有する線状体で、主構成体１７の熱膨張係数より小さい熱膨張係数の金属、例えばインバー合金からなっていて主構成体１７と一体に形成され、放熱体１６が形成されたとき、面上で特定方向を向くように配向されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワーモジュール用基板の製造方法と、その方法によって得られるパワーモジュール用基板とパワーモジュールとに係り、特に大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられて、半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるのに好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝達されることから、パワーモジュール基板に伝わる熱を放熱する必要がある。
この種のパワーモジュール用基板にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板の一方の面に回路層を、他方の面に放熱体を各々備え、この放熱体の絶縁基板と対向する面に、冷却水等の冷却手段を備えた冷却シンク部を備えた構成のものが一般的である。
このようなパワーモジュール用基板に設けられる放熱体は、絶縁基板と接合するために低熱膨張材であることが要求される一方、絶縁基板に搭載された半導体チップの熱を放熱するために高熱伝導性も要求される。
【０００３】
これらの要求を満たすため、放熱体として、セラミックス仮焼結体にＡｌを含浸したＡｌＳｉＣや、Ｃｕを含浸したＣｕＳｉＣ、更にはカーボンにＡｌ又はＣｕを含浸したＡｌＣ又はＣｕＣなどが知られているが、金属系としては、従来では、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）の仮焼結体にＣｕを含浸したＣｕＭｏやＣｕＷが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−０９７５９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパワーモジュール用基板において、放熱体がＣｕＭｏで構成されると、Ｍｏ自体が重くかつ硬度があるので、加工性に劣ると共に軽量化しにくい問題があった。また、Ｍｏの熱膨張係数が５．５×１０^−６（／℃）であって、絶縁基板の４．６×１０^−６（／℃）より大きく、Ｃｕとの複合体を形成する上で完全な接合性を得ることができにくいので強度上の問題があり、しかも絶縁基板と高温によって接合されたとき、熱膨張係数の違いにより大きな反りを発生するという問題もあった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、加工性が良好で軽量化を図り、また充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板の一方の面に放熱体を設けると共に、前記絶縁基板の他方の面に回路層を設けるパワーモジュール用基板の製造方法において、前記放熱体は、高熱伝導材からなる金属製の主構成体に、該主構成体の熱膨張係数より小さい低熱膨張材からなる金属製の線状体を所望方向に配向して一体に形成することを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、主構成体に対し低熱膨張係数からなる線状体が特定方向を向くように配向されて放熱体が形成されるので、放熱体の一定方向の強度を確実に上げることができ、また、加工性が良好で軽量化できる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記主構成体の粉末中に前記線状体を混入し、かつ粉末圧延処理又は粉末押出処理により前記放熱体を形成することを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、主構成体中の粉末中に線状体が混入するので、線状体の向きが制約を受けることがなくなり、線状体を確実に所望方向に向けた状態で形成することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記線状体を、前記主構成体に対し磁場によって所望の方向に配向させることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、磁場を利用することで線状体の向きを制御できるので、線状体を確実に所望の方向に向けて配向できる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に設けられた放熱体と、前記絶縁基板の他方の面に設けられた回路層とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、高熱伝導材からなる金属製の主構成体に、低熱膨張係数からなる金属製の線状体を所望方向に配向させていることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、主構成体に対し低熱膨張係数からなる線状体が特定方向を向くように配向されて放熱体が形成されるので、放熱体の一定方向の強度を確実に上げることができ、また、加工性が良好で軽量化できる。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項４記載のパワーモジュール用基板において、前記線状体は、体積含有率が放熱体全体の５０％以上であることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が体積含有率５０％以上の線状体で構成されるので、放熱体の強度を確実に上げることができる。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項記４又は５記載のパワーモジュール用基板において、前記線状体と交差方向に配置される低熱膨張係数の線状体を備えることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、線状体が交差方向に配置されることで、放熱体の交差方向の強度を上げることができ、基板全体の強度をより高めることができる。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項４〜６のいずれかに記載のパワーモジュール用基板において、前記線状体は、放熱体の厚み方向に沿い前記主構成体中における線状体密度の高い高密度層と密度の低い粗密度層とを有することを特徴とする。この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、線状体が高密度層と粗密度層とを適宜設けることで、強度が上がり、かつ反り防止効果を良好に行える。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項４〜７のいずれかに記載の放熱体において、前記主構成体は、Ｃｕと、その合金と、Ａｌと、その合金とのいずれかであり、前記低熱膨張材は、鉄ニッケル系合金であることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、主構成体がＣｕとその合金とＡｌとその合金のいずれかであって、低熱膨張材が鉄ニッケル系合金であるので、放熱体全体放熱体内における金属間同士を強固に接合でき、良好な接合性を確実に得ることができる。
【００１５】
請求項９に係る発明は、請求項４〜８のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、加工性が良好でかつ軽量で、その上反り防止を図る、良好なパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールが確実に得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１から図３はこの発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す図であって、図１はパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図、図２は放熱体を示す説明用斜視図、図３は粉末圧延処理によって高熱伝導材の粉末に線状体を混入させて成形するときの説明図である。
図１に示すこの実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると、絶縁基板１１と、放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。
【００１７】
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１により、放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュールＰが構成されている。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００１８】
この実施形態は、放熱体１６が金属製の主構成体１７に低熱膨張係数からなるフィラー１８が設けられている。主構成体１７は、例えばＣｕ若しくはＣｕ合金等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材によって形成されている。
【００１９】
一方、フィラー１８は、適度の大きさを有する線状体であって、主構成体１７の熱膨張係数より小さい熱膨張係数の金属、例えばインバー合金からなっていて主構成体１７と一体に形成される。インバー合金（以下、インバーと略称す）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。但し、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、フィラー１８は、放熱体１６が形成されたとき、面上で特定方向を向くように配向されており、例えば図２に示すように長四角形状の放熱体１６を形成したとき、その長手方向に沿うように配向されている。
このような放熱体１６は、製造に際し、粉末圧延処理において、図３に示すように、ホッパーＡ内の主構成体１７をなす粉末１７′中にフィラー１８を混入させ、圧延ローラＢによって送り出すことにより、粉末１７′中でフィラー１８が整列され、その状態で主構成体１７とフィラー１８とが一体に成形されるようになっている。或いは図示しないが、コンフォーム等のような粉末押出装置により、粉末押出処理することで成形するようにしてもよい。更には、フィラー１８の向きを制御可能に磁場を構成しておき、その磁力によってフィラー１８の向きを揃えるようにしてもよい。
なお、図１及び図２において、フィラー１８は、放熱体１６の面方向及び厚み方向でそれぞれ略均等の間隔に設けられているが、間隔は不均一であってもよく、要は、放熱体１６の面方向に配向されていればよい。
【００２１】
そして、フィラー１８が混入された放熱体１６としては、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上で、熱膨張係数が絶縁基板１１の熱膨張係数αの±４０％程度、つまり４×１０^−６／Ｋ＜α＜１０×１０^−６／Ｋの大きさとなっている。この場合、放熱体１６全体におけるフィラー１８の占める割合としては、体積含有率（断面積比率ともいう）が少なくとも３０％以上、好ましいのは５０％以上である。
【００２２】
このように、パワーモジュール用基板１０を構成する放熱体１６が、主構成体１７に対しインバーのような低熱膨張係数からなるフィラー１８が特定方向を向くように形成されると、放熱体１６の一定方向の強度を確実に上げることができる。そのため、放熱体１６がはんだ１４或いはろう付け等のような高温によって絶縁基板１１と接合されても、その熱で放熱体１６に反りが発生するのを抑えることができる。しかも、主構成体１７にフィラー１８が存在することで放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、放熱体１６の反り防止効果がより高まる。
【００２３】
また、フィラー１８は、Ｍｏのような重さ及び硬さがないので、加工性が良好となり、その上、放熱体１６自体を軽量化することができてパワーモジュール用基板１０全体の軽量化を図ることができ、更にはＣｕやＣｕ合金からなる高熱伝導材の主構成体１７との接合性が良好で略完全な整合性が得られる。
【００２４】
そして、放熱体１６の成形時には、図３に示す粉末圧延処理や粉末押出処理により、若しくは磁場を利用することにより、主構成体１７の粉末１７′中に混入されたフィラー１８を特定の方向に容易に配向させることができる。これにより、加工性が良好で軽量化でき、また充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ることができるパワーモジュール用基板１０を確実に製造することができる。
【００２５】
図４は、この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板の放熱体を示している。
図４に示すパワーモジュール用基板１０の放熱体１６は、フィラー１８Ａが配向された第１主構成体１７Ａと、フィラー１８Ｂが配向された第２構成体１７Ｂとが接合して構成されている。そして、第１主構成体１７Ａのフィラー１８Ａに対し、第２主構成体１７Ｂのフィラー１８Ｂが直交する方向に設けられ、従って、フィラー１８Ａと１８Ｂとが互いに交差方向に配置されている。
【００２６】
この実施形態によれば、各主構成体１７Ａ、１７Ｂ中にフィラー１８Ａ、１８Ｂがそれぞれ設けられていることから、基本的には第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるのに加え、フィラー１８Ａと１８Ｂとが交差方向に配設されていることから、放熱体１６の強度が交差方向に亘って上がり、反り防止効果の高いパワーモジュール用基板１０を得ることができ、それだけパワーモジュールの信頼性が高まる。
【００２７】
図５は、この発明の第３の実施の形態に係るモジュール用基板の放熱体を示している。
この実施形態において、放熱体１６が第１〜第３主構成体１７Ａ〜１７Ｃによって互いに接合され、それら各主構成体１７Ａ〜１７Ｃにインバーからなるフィラー１８が配向して設けられている。フィラー１８は、各主構成体１７Ａ〜１７Ｃにおいて、絶縁基板１１寄りの上面側には比較的密に配向されることで高密度層１８ａに構成されると共に、それより下面側には、高密度層１８ａより粗密に配向された粗密度層１８ｂに構成されている。従って、このフィラー１８は、高密度層１８ａと粗密度層１８ｂとからなっている。
このように、各主構成体１７Ａ〜１７Ｃ中に配向されるフィラー１８の密度を変えることで、放熱体１６の強度を上げると共に、反り低減効果を高めることもできる。
【００２８】
なお、図示実施の形態において、放熱体の主構成体としてＣｕ、又はその合金を用いた例を示したが、上述したように、粉末圧延処理や粉末押出処理によって放熱体１６を形成すれば、例えばＡｌやその合金の表面に生じている酸化膜を破壊させることができるので、これらが主構成体となる放熱体を形成することもでき、図示例に限定されるものではない。
更に、フィラー１８以外の低熱膨張係数の金属粉末を混入させることで、放熱体１６全体の熱膨張係数及び熱伝導率をいっそう調整することもできると共に、放熱体内における金属間同士をより強固に接合することもできる。いずれにしろ、フィラー１８のみならず、他の低熱膨張材、例えば４２合金、Ｃｕインバー、スーパーインバー等で代用することもでき、要は、鉄ニッケル系合金であればよい。
また、放熱体１６に冷却シンク部３１を設けた構成を示したが、この形態に限らず、放熱体１６表面にろう材を介してコルゲートフィンを設ける構成としてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、主構成体に対し低熱膨張係数からなる線状体が配向されて放熱体を形成したので、放熱体の強度を確実に上げ、反り防止を図り、かつ加工性が良好で軽量化できるパワーモジュール用基板を製造できる効果が得られ、特に窒化アルミナからなる絶縁基板にろう付けのような高温で放熱体を接合するのに有益となる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、線状体の向きが制約を受けることがなく、主構成体中の粉末中に線状体を確実に所望方向に向けた状態で形成できるという効果が得られる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、磁場を利用することで線状体の向きを制御でき、線状体を確実に所望の方向に向けて配向できるという効果が得られる。
【００３２】
請求項４に係る発明によれば、主構成体に対し低熱膨張係数からなる線状体が特定方向を向くように配向されて放熱体が形成されるので、放熱体の強度を確実に上げ、反り防止を図り、かつ加工性が良好で軽量化できる結果、パワーモジュール用基板としての信頼性が高まる効果が得られる。
【００３３】
請求項５に係る発明によれば、放熱体の強度を確実に上げることができる効果が得られる。
【００３４】
請求項６に係る発明によれば、線状体が交差方向に配置されることで、放熱体の交差方向の強度を上げ、基板の信頼性がより高まるという効果が得られる。
【００３５】
請求項７に係る発明によれば、線状体が高密度層と粗密度層とを適宜設けることで、放熱体の強度が上がり、かつ反り防止効果を良好に行える効果が得られる。
【００３６】
請求項８に係る発明によれば、放熱体全体の熱膨張係数及び熱伝導率を調整することができると共に、放熱体内における金属間同士をより強固に接合することができる効果が得られる。
【００３７】
請求項９に係る発明によれば、良好なパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールを提供できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用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】パワーモジュール用基板を示す説明用斜視図である。
【図３】粉末圧延処理によって高熱伝導材の粉末に線状体を混入させて成形するときの説明図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態に係るモジュール用基板の放熱体を示している。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係るモジュール用基板の放熱体を示している。
【符号の説明】
Ｐパワーモジュール
１０パワーモジュール用基板
１１絶縁基板
１６放熱体
１７主構成体
１７′ 主構成体の粉末
１８、１８Ａ、１８Ｂフィラー
１８ａ高密度層
１８ｂ粗密度層
３０半導体チップ

Claims

絶縁基板の一方の面に放熱体を設けると共に、前記絶縁基板の他方の面に回路層を設けるパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記放熱体は、高熱伝導材からなる金属製の主構成体に、該主構成体の熱膨張係数より小さい低熱膨張材からなる金属製の線状体を所望方向に配向して一体に形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記主構成体の粉末中に前記線状体を混入し、かつ粉末圧延処理又は粉末押出処理により前記放熱体を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記線状体を、前記主構成体に対し磁場によって所望の方向に配向させることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に設けられた放熱体と、前記絶縁基板の他方の面に設けられた回路層とを備えたパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、高熱伝導材からなる金属製の主構成体に、低熱膨張係数からなる金属製の線状体を所望方向に配向させていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項４記載のパワーモジュール用基板において、
前記線状体は、体積含有率が放熱体全体の５０％以上であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項記４又は５記載のパワーモジュール用基板において、前記線状体と交差方向に配置される低熱膨張係数の線状体を備えることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項４〜６のいずれかに記載のパワーモジュール用基板において、
前記線状体は、放熱体の厚み方向に沿い前記主構成体中における線状体密度の高い高密度層と密度の低い粗密度層とを有することを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項４〜７のいずれかに記載のパワーモジュール用基板において、
前記主構成体は、Ｃｕと、その合金と、Ａｌと、その合金とのいずれかであり、前記低熱膨張材は、鉄ニッケル系合金であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項４〜８のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とするパワーモジュール。