JP2010098058A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】絶縁基板１１の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されるヒートシンク３０と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、ヒートシンク３０は、絶縁基板１１の他方の面に接合される天板部３１を有しており、この天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。

また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介してヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、通常、例えば特許文献１の図１に示すように、パワーモジュール用基板が放熱板に接合され、この放熱板がヒートシンクの上面にグリースを介して積層固定されていた。
特開２００１−１４８４５１号公報

ところで、近年、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、熱を効率的にヒートシンク側へと放散することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、特許文献１の図１に示すようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、放熱板とヒートシンクとの間にグリースが介在しているため、このグリースが熱抵抗となって熱を効率的に放散することができない。
そこで、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板をヒートシンクの天板部に直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。

しかしながら、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、ヒートシンクの天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、ヒートシンク付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際には、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、パワーモジュール用基板に反り変形が生じるおそれがあった。また、熱応力によってセラミックス基板自体が破損したり、金属板とセラミックス基板との間で剥離が生じたりしてしまうおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクは、前記絶縁基板の他方の面に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴としている。

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクの天板部に、直接、絶縁基板が接合されているので、絶縁基板の一方の面に形成された回路層上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク側に向けて効率良く放散することが可能となる。
また、天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されているので、天板部の熱膨張係数は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された従来のヒートシンク（天板部）に比べて小さくなり、絶縁基板との熱膨張係数の差が小さく、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。さらに、このアルミニウム基複合材料は、熱伝導性の高い炭素質部材を有しているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することが可能となる。

ここで、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていてもよい。
この場合、アルミニウム基複合材料中のアルミニウムが、例えばＡｌ−Ｓｉ等のろう材の融点よりも高くなることから、天板部と絶縁基板とをろう付けによって接合することができる。

また、前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていてもよい。
この場合、ヒートシンクの天板部と絶縁基板とを積層方向に加圧した状態で前記融点以上に加熱することにより、アルミニウム基複合材料（天板部）中のアルミニウムが溶融または半溶融し、ヒートシンクの天板部と絶縁基板とを接合することが可能となる。

さらに、前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクの天板部が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保されているので、熱サイクル信頼性を向上させることができるとともに熱の放散をさらに促進することができる。

また、前記天板部のうち前記絶縁基板側に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、天板部と絶縁基板とが、スキン層を介して接合されることになり、絶縁基板と天板部とを強固に接合することが可能となる。また、スキン層が比較的変形抵抗の小さなアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、熱応力をスキン層で吸収することができ、熱サイクル信頼性をさらに向上させることが可能となる。

ここで、前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記スキン層の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層において熱応力を確実に吸収することができる。また、前記スキン層の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層の平均厚さｔｓを０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．６ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。

また、前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
純度９９％以上のアルミニウム、いわゆる純アルミニウムは、比較的軟らかく応力を吸収しやすいため、前記スキン層を純度９９％以上のアルミニウムで構成することによって、スキン層において熱応力を確実に吸収することができる。なお、この効果をさらに奏功せしめるためには、スキン層を、純度９９．９％以上あるいは純度９９．９９％以上の高純度アルミニウムで構成することが好ましい。

本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、電子部品から発生する熱を効率良くヒートシンク側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を向上させることができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記天板部を構成する前記アルミニウム基複合材料を成形する際に、前記炭素質部材とともに前記絶縁基板を配設しておき、この炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填することにより、前記絶縁基板が接合された前記天板部を成形することを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、絶縁基板と天板部との接合が、天板部を構成するアルミニウム基複合材料を成形する際に行われるので、絶縁基板と天板部の接合界面における熱抵抗が低くなり効率良く熱を放散させることが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。

ここで、前記天板部を構成する前記アルミニウム基複合材料を成形する際に、前記炭素質部材とともに前記絶縁基板を配設しておき、この炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填することにより、前記絶縁基板が接合された前記天板部を成形するとともに、前記絶縁基板の表面に回路層を形成する構成を採用してもよい。
この場合、天板部とパワーモジュール用基板（回路層及び絶縁基板）とを、同一の製造工程で製出することが可能となる。

本発明によれば、パワーモジュール用基板に搭載された電子部品等から発生した熱を効率良く放散させることができるとともに、高い熱サイクル信頼性を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールについて、図１から図４を参照して説明する。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２とを備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されており、その厚さが、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。

ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部３１と、この天板部３１の下面側に立設された複数のフィン３２とを備えている。
そして、ヒートシンク３０の天板部３１は、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されている。

ここで、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は、セラミックス基板１１の熱膨張係数よりも大きく、かつ、アルミニウムの熱膨張係数よりも小さく設定されている。より具体的には、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数は、約４．５ｐｐｍ／Ｋとされ、アルミニウムの熱膨張係数は、約２３．５ｐｐｍ／Ｋとされており、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱膨張係数は６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度とされている。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料の熱伝導率は３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とされており、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くされている。

そして、図１及び図２に示すように、ヒートシンク３０の天板部３１のうちセラミックス基板１１側部分には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層３３が形成されている。
このスキン層３３の平均厚さｔｓは、天板部３１全体の厚さｔｂに対して、０．０３×ｔｂ≦ｔｓ≦０．２０×ｔｂの範囲内とされており、より具体的には、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されている。

ここで、本実施形態では、天板部３１は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述のスキン層３３は、天板部３１に充填された純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されている。なお、本実施形態では、後述するように、ろう材箔２３を介して天板部３１とセラミックス基板１１とを接合していることから、スキン層３３の一部が、ろう材箔２３の成分元素であるＳｉの拡散により純度が９９．９８％未満となる。

このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、以下のようにして製造される。

まず、ヒートシンク３０の天板部３１の製造方法について説明する。
図３に示すように、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板３５を準備し、この黒鉛板３５の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板３６、３６を配設し、この挟持板３６と黒鉛板３５とを、ステンレス製の押圧板３７，３７によって挟持する。これを、例えば２００〜３００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．９８％以上の溶融アルミニウム（純アルミニウム）を黒鉛板３５に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム基複合材料を得る。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板３５の表面に滲み出してアルミニウム層３８が形成される。このアルミニウム層３８に切削加工を施してスキン層３３の厚さを調整することにより、前述の天板部３１が製出される。

次に、図４に示すように、天板部３１のうちスキン層３３が形成された面の上に、セラミックス基板１１がろう材箔２３を介して積層され、このセラミックス基板１１の上に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）がろう材箔２４を介して積層される。
このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧（０．１〜０．３ＭＰａ）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２３、２４を溶融して凝固させる。
このようにして、天板部３１とセラミックス基板１１、回路層１２となる金属板２２とセラミックス基板１１が接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０が製造される。

このような構成とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、回路層１２の表面に半導体チップ３がはんだによって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール１として使用される。

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク３０の天板部３１に、直接、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１が接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２上に配設された電子部品から発生した熱をヒートシンク３０側に向けて効率良く放散することが可能となる。

また、天板部３１が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、天板部３１の熱膨張係数が６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度であって、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の熱膨張係数（約４．５ｐｐｍ／Ｋ）との差が小さいので、熱サイクル負荷時の熱応力の発生を抑制することができ、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、熱伝導性の高い炭素質部材を有しており、その熱伝導率が３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と、アルミニウムの熱伝導率（約２３８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高くなっているので、電子部品から発生した熱を効率良く放散することができる。
さらに、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料は、そのヤング率が比較的小さいため、熱サイクルを負荷した際にセラミックス基板１１に作用する応力自体を低く抑えることができ、セラミックス基板１１の破損を防止することができる。

また、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、炭素質部材に純度が９９．９８％以上のアルミニウムが充填されたものとされているので、本実施形態のようにＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２３、２４を使用しても、充填されたアルミニウムが溶け出すことがなく、天板部３１とパワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１とをろう付けによって接合することができる。また、このろう付け時に、セラミックス基板１１に金属板２２をろう付けすることによって、回路層１２を形成することができる。このように回路層１２を形成することで、パワーモジュール用基板１０の反りの発生を抑制することができる。

また、本実施形態においては、天板部３１を構成するアルミニウム基複合材料が、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）を充填したものであり、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされているので、天板部３１が、炭素成分量が比較的高く強度に優れるとともに熱伝導性が確保され、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱の放散を促進することができるとともに熱サイクル信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、天板部３１のうちセラミックス基板１１側部分に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）からなるスキン層３３が形成されているので、天板部３１とセラミックス基板１１とが、スキン層３３を介して接合されることになり、セラミックス基板１１と天板部３１とを強固に接合することができる。
また、スキン層３３が、比較的変形抵抗の低い純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されているので、熱膨張係数が異なる天板部３１とセラミックス基板１１との間の熱応力を、スキン層３３によって吸収することができる。これにより、熱サイクルが負荷された際の熱変形や反りが抑えられ、このヒートシンク付パワーモジュール１の熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。

ここで、スキン層３３の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、このスキン層３３において熱応力を確実に吸収することができる。また、スキン層３３の平均厚さｔｓが３ｍｍ以下とされているので、熱伝導性を確保することができ、熱の放散を効率良く行うことができる。

このように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール１によれば、半導体チップ３から発生する熱を効率良くヒートシンク３０側に放散することができるとともに、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について図５〜図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１３０の天板部１３１の構成が第１の実施形態と異なっている。

本実施形態における天板部１３１には、図５に示すように、セラミックス基板１１１側にスキン層が形成されていない。
ここで、天板部１３１は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。

次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０の製造方法について説明する。
図６に示すように、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板１３５を準備し、この黒鉛板１３５の片面側に、セラミックス基板１１１を配設する。黒鉛板１３５とセラミックス基板１１１を、気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板１３６、１３６を介して、ステンレス製の押圧板１３７，１３７によって挟持する。これを、例えば２００〜３００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．９８％以上のアルミニウムからなる溶融アルミニウムを黒鉛板１３５に含浸させる。これを冷却凝固させることによって、セラミックス基板１１１が接合されたアルミニウム基複合材料を得ることになる。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板１３５の表面に滲み出してアルミニウム層１３８が形成される。このアルミニウム層１３８に切削加工を施すことにより、セラミックス基板１１１と天板部１３１との接合体が製出される。

次に、図７に示すように、この接合体のセラミックス基板１１１の上に、ろう材箔１２３を介して回路層１１２となる金属板１２２を配置し、積層方向に加圧（０．１〜０．３ ＭＰａ）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔１２３を溶融して凝固させる。
このようにして、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１が接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０が製造される。

以上のような構成とされた第２の本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０及びヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、天板部１３１にスキン層が設けられていないので、熱伝導率の高いアルミニウム基複合材料とセラミックス基板１１１とが直接接合されることになり、電子部品で発生した熱をさらに効率良く放散させることができる。

また、セラミックス基板１１１と天板部１３１との接合が、アルミニウム基複合材料を形成する際に行われるため、セラミックス基板１１１と天板部１３１との接合が強固となり、熱サイクル負荷時の剥離を防止することができるとともに、セラミックス基板１１１と天板部１３１との接合界面における熱抵抗が低くなり、さらに効率良く熱を放散させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について図８、図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール２０１においては、ヒートシンク２３０の天板部２３１の構成が、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なっている。

本実施形態における天板部２３１は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、融点が６００℃以下のアルミニウム合金（本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ合金）が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されており、黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上がＡｌ−Ｓｉ合金によって置換され、このＡｌ−Ｓｉ合金の含有率が、アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、図８に示すように、ヒートシンク２３０の天板部２３１のうちセラミックス基板２１１側部分には、Ａｌ−Ｓｉ合金からなるスキン層２３３が形成されている。

次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板２５０の製造方法について説明する。
図９に示すように、スキン層２３３を有する天板部２３１の上面に、セラミックス基板２１１を直接積層する。なお、天板部２３１の外面のうち、セラミックス基板２１１が積層される面以外の部分には、天板部２３１中のＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しによる溶着を防止するために、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末を塗布しておく。
さらに、天板部２３１に積層されたセラミックス基板２１１の上に、ろう材箔２２３を介して回路層２１２となる金属板２２２を配置する。

これを積層方向に加圧（０．１５〜３．０ＭＰａ）した状態で５００〜６２０℃まで加熱する。すると、スキン層２３３の表面の一部が溶融し、天板部２３１とセラミックス基板２１１とが接合される。このとき、天板部２３１の外面のうちセラミックス基板２１１が積層される面以外の部分からのＡｌ−Ｓｉ合金の滲み出しは、黒鉛あるいはＢＮ（窒化硼素）の粉末によって抑制される。
また、ろう材箔２２３が溶融・凝固することによって、回路層２１２となる金属板２２２とセラミックス基板２１１が接合される。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２５０が製造される。

以上のような構成とされた第３の本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２５０及びヒートシンク付パワーモジュール２０１においては、天板部２３１にスキン層２３３が形成されており、このスキン層２３３がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されているので、熱サイクルを負荷した際に生じる熱応力を、スキン層２３３で効率良く吸収することができ、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
また、ろう材箔を用いることなく天板部２３１とセラミックス基板２１１（パワーモジュール用基板２１０）とを接合することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１の実施形態において、スキン層を備えた天板部をろう材箔を介して接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有していない天板部をろう付けによって接合してもよい。
一方、第３の実施形態において、スキン層を備えた天板部をろう材を使用せずに接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、スキン層を有していない天板部をろう材を使用せずに接合してもよい。この場合、天板部を構成するアルミニウム基複合材料に充填された融点６００℃以下のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）が表面に滲み出し、これにより、セラミックス基板と天板部とが接合されることになる。

また、炭素質部材として、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス（黒鉛部材）を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等で構成された炭素質部材であってもよい。

また、第２の実施形態において、天板部を構成するアルミニウム基複合材料を成形する際に、セラミックス基板と天板部とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図１０に示すように、セラミックス基板の表面に形成されたアルミニウム層１３８に切削加工及びエッチング加工を施すことによって、セラミックス基板の上に回路層１１２を形成してもよい。

さらに、第３の実施形態において、黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に充填する融点が６００℃以下のアルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ合金を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金等の他のアルミニウム合金を用いても良い。

また、スキン層を、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されたアルミニウム又はアルミニウム合金を滲み出させて形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図１１に示すように、天板部３３１を形成する際に、黒鉛板３３５とともにアルミニウム又はアルミニウム合金の板材３３９を挟持板３３６，３３６の間に挟みこんで、スキン層３３３を形成してもよい。この場合、天板部を構成するアルミニウム基複合材料中に充填されるアルミニウム又はアルミニウム合金と異なる組成のスキン層を形成することが可能となる。

さらに、一つのヒートシンク（天板部）の上に一つの緩衝層が配設され、一つの緩衝層の上に一つのパワーモジュール用基板が配設されたものを図示して説明したが、これに限定されることはなく、図１２に示すように、一つのヒートシンク４３０（天板部４３１）の上に複数のパワーモジュール用基板４１０が配設されていてもよい。

また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
さらに、回路層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等で構成されていてもよい。

さらに、ヒートシンクとして天板部にフィンを立設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。

本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の拡大説明図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられた天板部の製造方法を示す説明図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられたヒートシンクの天板部及びセラミックス基板との接合体の製造方法を示す説明図である。 図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。 本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 図８に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。 本発明のパワーモジュール用基板及び天板部の製造方法の他の例を示す説明図である。 天板部の製造方法の他の例を示す説明図である。 本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の例を示す説明図である。

符号の説明

１，１０１、２０１ ヒートシンク付パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、 セラミックス基板
１２、１１２、２１２ 回路層
３０、１３０、２３０、４３０ ヒートシンク
３１、１３１、２３１、３３１ 天板部
３３、２３３、３３３ スキン層
５０、１５０、２５０、４５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (10)

1. 絶縁基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記ヒートシンクは、前記絶縁基板の他方の面に接合される天板部を有しており、この天板部が、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、純度が９９％以上のアルミニウムが充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
3. 前記アルミニウム基複合材料において、前記炭素質部材には、融点が６００℃以下のアルミニウム合金が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 前記アルミニウム基複合材料は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下の黒鉛結晶含有炭素質マトリックス中に、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたものであり、前記黒鉛結晶含有炭素質マトリックスの気孔の９０体積％以上が前記アルミニウム又はアルミニウム合金によって置換され、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の含有率が、前記アルミニウム基複合材料全体積基準で３５％以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 前記天板部のうち前記絶縁基板側には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるスキン層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
6. 前記スキン層の平均厚さｔｓが、０．０３ｍｍ≦ｔｓ≦３ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
7. 前記スキン層が、純度９９％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
9. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記天板部を構成する前記アルミニウム基複合材料を成形する際に、前記炭素質部材とともに前記絶縁基板を配設しておき、この炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填することにより、前記絶縁基板が接合された前記天板部を成形することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
10. 前記天板部を構成する前記アルミニウム基複合材料を成形する際に、前記炭素質部材とともに前記絶縁基板を配設しておき、この炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填することにより、前記絶縁基板が接合された前記天板部を成形するとともに、前記絶縁基板の表面に回路層を形成することを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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