JP2010098059A - 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、緩衝層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の一方の面に回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンク４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、絶縁基板１１とヒートシンク４との間には、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からなる緩衝層３０が設けられ、この緩衝層３０の熱膨張係数Ｋが、絶縁基板１１の熱膨張係数Ｋｃ及びヒートシンク４の熱膨張係数Ｋｔに対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされており、緩衝層３０のうちヒートシンク４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３１が形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、緩衝層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、緩衝層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アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクと、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、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、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からなる緩衝層が設けられ、この緩衝層の熱膨張係数Ｋが、前記絶縁基板の熱膨張係数Ｋｃ及び前記ヒートシンクの熱膨張係数Ｋｔに対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされており、前記緩衝層のうち前記ヒートシンク側には、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、パワーモジュール用基板の絶縁基板とヒートシンクとの間に、熱膨張係数Ｋが、前記絶縁基板の熱膨張係数Ｋｃ及び前記ヒートシンクの熱膨張係数Ｋｔに対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされた緩衝層が設けられているので、熱サイクルが負荷されてもヒートシンクの変形量とパワーモジュール用基板の変形量の差を緩衝層によって吸収することが可能となり、熱応力によるパワーモジュール用基板の変形や破損を防止することができ、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。

また、緩衝層のヒートシンク側部分に、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ので、ヒートシンクと緩衝層との間の熱膨張係数の差がさらに小さくなる。これにより、スキン層によって熱応力を効果的に吸収することが可能となる。さらに、このスキン層を介することにより、緩衝層とヒートシンクとがアルミニウム又はアルミニウム合金同士の接合となるため、ヒートシンクと緩衝層とを強固に接合することが可能となる。
また、絶縁基板がヒートシンクに緩衝層を介して接合されるとともに、この緩衝層が、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、緩衝層の熱伝導率が比較的高く、パワーモジュール用基板側で発生した熱をヒートシンク側へと効率良く放散することができる。

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も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。

前記緩衝層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第２スキン層が形成されていてもよい。
この場合、第２スキン層を介することにより、緩衝層とパワーモジュール用基板（絶縁基板）とを強固に接合することが可能となる。

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、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、緩衝層とヒートシンク及び緩衝層と絶縁基板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、緩衝層とヒートシンク及び緩衝層と絶縁基板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中のアルミニウム合金が溶融または半溶融し、緩衝層とヒートシンク及び緩衝層と絶縁基板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、緩衝層が、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促進することができる。

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。

本発明の緩衝層付パワーモジュール用基板は、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板に用いられる緩衝層付パワーモジュール用基板であって、前記緩衝層のうち前記パワーモジュール用基板とは反対側の面には、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している。
この構成の緩衝層付パワーモジュール用基板によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクに接合することにより、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。

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、前記緩衝層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緩衝層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、絶縁基板と緩衝層との接合が、緩衝層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、絶縁基板と緩衝層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、前記緩衝層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緩衝層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の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、緩衝層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。図１に本発明の第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、ヒートシンク付パワーモジュール及び緩衝層付パワーモジュール用基板を示す。
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４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、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、図４に示すように、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２３を用いている。

ヒートシンク４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５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。

そして、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１とヒートシンク４の天板部５との間には、緩衝層３０が設けられている。この緩衝層３０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おり、緩衝層３０の熱膨張係数Ｋが、セラミックス基板１１の熱膨張係数Ｋｃ及びヒートシンク４の熱膨張係数Ｋｔに対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされている。

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Ｋｃは、約４．５ｐｐｍ／Ｋとされ、アルミニウム合金（Ａ６０６３）からなるヒートシンク４の熱膨張係数Ｋｔは、約２３．５ｐｐｍ／Ｋとされており、緩衝層３０の熱膨張係数Ｋは６〜１５ｐｐｍ／Ｋ程度とされている。
また、アルミニウムの熱伝導率は約２３８Ｗ／ｍ・Ｋとされ、緩衝層３０の熱伝導率は３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とされている。

そして、図１及び図２に示すように、緩衝層３０のうちヒートシンク４側に部分には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１スキン層３１が形成され、緩衝層３０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第２スキン層３２が形成されている。

ここで、本実施形態では、緩衝層３０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、前述の第１スキン層３１、第２スキン層３２は、緩衝層３０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。

第１スキン層３１の平均厚さｔｓは、緩衝層３０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。なお、緩衝層３０全体の厚さｔｂが、０．５ｍｍ≦ｔｂ≦５ｍｍとされている場合には、第１スキン層３１の平均厚さｔｓは、０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．６ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。

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、緩衝層３０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第１スキン層３１、第２スキン層３２の厚さを調整することにより、前述の緩衝層３０が製出される。

次に、図４に示すように、第１スキン層３１及び第２スキン層３２を有する緩衝層３０の上面に、ろう材箔２４を介してセラミックス基板１１を積層するとともに、セラミックス基板１１の上面に、ろう材箔２３を介して回路層１２となる金属板２２を積層する。これを積層方向に加圧した状態で加熱してろう材箔２３、２４を溶融させた後に冷却して凝固させ、回路層１２となる金属板２２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と緩衝層３０を接合し、本実施形態である緩衝層付パワーモジュール用基板４０が製出される。
そして、この緩衝層付パワーモジュール用基板４０の緩衝層３０の下面側に、ろう材箔２５を介してヒートシンク４を積層させ、これを積層方向に加圧した状態で加熱してろう材箔２５を溶融させた後に冷却して凝固させ、緩衝層付パワーモジュール用基板４０の緩衝層３０とヒートシンク４の天板部５を接合し、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、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１とヒートシンク４の天板部５との間に、熱膨張係数Ｋが、セラミックス基板１１の熱膨張係数Ｋｃ（約４．５ｐｐｍ／Ｋ）及びヒートシンク４の天板部５の熱膨張係数Ｋｔ（約２３．５ｐｐｍ／Ｋ）に対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされた緩衝層３０が設けられており、さらに緩衝層３０のうちヒートシンク４の天板部５側に、純度９９．９８％以上のアルミニウムからなる第１スキン層３１が形成されているので、熱膨張係数が大きく異なるヒートシンク４とセラミックス基板１１（パワーモジュール用基板１０）との間の熱応力を、これらヒートシンク４とセラミックス基板１１（パワーモジュール用基板１０）の中間の熱膨張係数Ｋを有する緩衝層３０によって効率的に吸収することができる。よって、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。

また、セラミックス基板１１がヒートシンク４の天板部５に緩衝層３０を介して接合されるとともに、この緩衝層３０が、炭素質部材中に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いて、その熱伝導率が３００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度とアルミニウムよりも高くされているので、パワーモジュール用基板１０側で発生した熱をヒートシンク４側へと効率良く放散することができる。

また、第１スキン層３１がヒートシンク４の天板部５に接合されるため、天板部５と緩衝層３０とが強固に接合されるとともに、接合界面における熱抵抗が抑えられ、熱の放散をさらに促進させることができる。
さらに、緩衝層３０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。

本実施形態では、第１スキン層３１の平均厚さｔｓが０．０３ｍｍ以上とされているので、この第１スキン層３１において熱応力を確実に吸収することができる。また、第１スキン層３１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。
さらに、第１スキン層３１が純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されており、比較的軟らかく応力を吸収しやすいため、第１スキン層３１における熱応力の吸収をさらに促進させることができる。

また、本実施形態では、緩衝層３０のうちセラミックス基板１１側に、純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）からなる第２スキン層３２が形成されているので、この第２スキン層３２を介することにより、セラミックス基板１１と緩衝層３０とを強固に接合することができる。
なお、本実施形態では、ろう材箔２４、２５を介して緩衝層３０を接合していることから、第１スキン層３１及び第２スキン層３２の一部において、ろう材箔２４、２５の成分元素であるＳｉが拡散していて、純度が９９．９８％未満となっている。

また、緩衝層３０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２４、２５を使用しても、充填された純アルミニウムが溶け出すことがなく、緩衝層３０とヒートシンク４の天板部５及び緩衝層３０とセラミックス基板１１をろう付けによって接合することができる。
また、緩衝層３０とセラミックス基板１１とをろう付けする際に、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、緩衝層３０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）が充填されたものであり、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、緩衝層３０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。

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４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８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、緩衝層１３０の構成が第１の実施形態と異なっている。

緩衝層１３０においては、図５及び図６に示すように、ヒートシンク４の天板部５側に第１スキン層１３１が形成されている。この第１スキン層１３１の平均厚さｔｓは、第１の実施形態と同様に、緩衝層１３０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、緩衝層１３０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、前述の第１スキン層１３１は、緩衝層１３０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。

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７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、ＡｌＮからなるセラミックス基板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に切削加工を施して第１スキン層１３１の厚さを調整することにより、セラミックス基板１１１と緩衝層１３０との接合体が製出される。

図８に示すように、前述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を積層し、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１２３を溶融して凝固させることにより、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、本実施形態である緩衝層付パワーモジュール用基板１４０が製造される。
次に、この緩衝層付パワーモジュール用基板１４０の緩衝層１３０の第１スキン層１３１側に、ろう材箔１２４を介してヒートシンク４を積層する。これを積層方向に加圧（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１２４を溶融して凝固させることにより、緩衝層１３０とヒートシンク４とが接合され、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、緩衝層１３０に第１スキン層１３１のみが形成されており、この第１スキン層１３１が純度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、ヒートシンク４側からパワーモジュール用基板１０側に向けて段階的に小さくなるように構成されることになる。よって、熱サイクルを負荷した際に生じる熱応力を、緩衝層１３０と第１スキン層１３１と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、セラミックス基板１１１と緩衝層１３０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と緩衝層１３０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と緩衝層１３０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。

また、緩衝層１３０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１２４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、緩衝層１３０とヒートシンク４の天板部５とをろう付けによって接合することができる。また、セラミックス基板１１１に金属板１２２をろう付けすることによって、回路層１１２を形成することができる。このように回路層１１２を形成することで、パワーモジュール用基板１１０の反りの発生を抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について図９〜図１１を参照して説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において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、緩衝層２３０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緩衝層２３０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９に示すように、緩衝層２３０のうちヒートシンク４の天板部５側部分には、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる第１スキン層２３１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の製造方法について説明する。
まず、図１０に示すように、緩衝層２３０の上面に、セラミックス基板２１１を直接積層する。また、緩衝層２３０の第１スキン層２３１が設けられた側の面に、ヒートシンク４の天板部５を直接積層する。なお、緩衝層２３０の外面のうち、セラミックス基板２１１及びヒートシンク４が積層される面以外の部分には、緩衝層２３０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、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、第１スキン層２３１の表面の一部が溶融し、緩衝層２３０とヒートシンク４の天板部５とが接合される。また、緩衝層２３０中に充填されているＡｌ−Ｓｉ合金の一部が表面に滲み出してきて、セラミックス基板２１１と緩衝層２３０とが接合されることになる。このとき、緩衝層２３０の外面のうちセラミックス基板２１１及びヒートシンク４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、金属板２２２とセラミックス基板２１１と緩衝層２３０とヒートシンク４の天板部５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、緩衝層２３０に第１スキン層２３１が形成されており、この第１スキン層２３１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、第１スキン層２３１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緩衝層２３０とセラミックス基板２１１、緩衝層２３０とヒートシンク４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、第１スキン層及び第２スキン層を備えた緩衝層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、第２スキン層を有していない緩衝層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、第２スキン層が形成されていない緩衝層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、第１スキン層及び第２スキン層を備えた緩衝層をろう材を使用せずに接合してもよい。

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１の実施形態及び第２の実施形態において、パワーモジュール用基板と緩衝層とをろう付けして緩衝層付パワーモジュール用基板を製出し、この緩衝層付パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けしてヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出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、パワーモジュール用基板と緩衝層及び緩衝層とヒートシンクのろう付けを同時に行ってもよい。
さらに、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板とをろう付けしてパワーモジュール用基板を製出し、このパワーモジュール用基板と緩衝層、ヒートシンクと緩衝層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、金属板とセラミックス基板と緩衝層とヒートシンクとを同時に接合してもよい。

また、第２の実施形態において、緩衝層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緩衝層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１１に示すように、セラミックス基板１１１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１１１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、第１スキン層を、緩衝層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１２に示すように、緩衝層３３０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、第１スキン層３３１を形成してもよい。この場合、緩衝層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１３に示すように、一つのヒートシンク４０４（天板部４０５）の上に、複数の緩衝層４３０及びパワーモジュール用基板４１０が配設されていてもよい。あるいは、図１４に示すように、一つのヒートシンク５０４（天板部５０５）の上に一つの緩衝層５３０が配設され、この上に複数のパワーモジュール用基板５１０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冷却媒体の流路を有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、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緩衝層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緩衝層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緩衝層の拡大説明図である。 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緩衝層と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９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緩衝層の製造方法の他の例を示す説明図である。 緩衝層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。 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）
４、４０４、５０４ ヒートシンク
５、４０５、５０５ 天板部
１０、１１０、２１０、４１０、５１０ 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、３３０、４３０、５３０ 緩衝層
３１、１３１、２３１、３３１ 第１スキン層
３２ 第２スキン層
４０、１４０ 緩衝層付パワーモジュール用基板
５０、１５０、２５０、４５０、５５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (11)

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アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクと、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、
   前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、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からなる緩衝層が設けられ、この緩衝層の熱膨張係数Ｋが、前記絶縁基板の熱膨張係数Ｋｃ及び前記ヒートシンクの熱膨張係数Ｋｔに対して、Ｋｃ＜Ｋ＜Ｋｔの関係とされており、
   前記緩衝層のうち前記ヒートシンク側には、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ヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 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１または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 前記緩衝層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第２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。
7. 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６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。
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に用いられる緩衝層付パワーモジュール用基板であって、
   前記緩衝層のうち前記パワーモジュール用基板とは反対側の面には、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緩衝層付パワーモジュール用基板。
10. 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、
    前記緩衝層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緩衝層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。
11. 前記緩衝層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緩衝層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１０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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