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

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 Download PDF

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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d002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d002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d002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d002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d002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、Al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d002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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