JP2010278171A - パワー半導体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】パワー半導体素子の出力アップに伴う高放熱及び高信頼性の要求にこたえるモジュール構造を提供できる。
【解決手段】炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％である多孔体又は粉末成形体から、（１）特定の金属を含浸する工程及び（２）面方向の面積がパワー半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚がパワー半導体素子の厚さに対して１〜２０倍、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように加工する工程を経て金属基複合材料基板を作製し、前記金属基複合材料基板上にパワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とするパワーモジュール部材およびその製造方法。
【選択図】なし
【解決手段】炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％である多孔体又は粉末成形体から、（１）特定の金属を含浸する工程及び（２）面方向の面積がパワー半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚がパワー半導体素子の厚さに対して１〜２０倍、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように加工する工程を経て金属基複合材料基板を作製し、前記金属基複合材料基板上にパワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とするパワーモジュール部材およびその製造方法。
【選択図】なし
Description
本発明は、放熱材及びその製造方法に係り、詳しくは半導体装置等の電子部品を搭載するための放熱用基板材として好適な放熱材に関するものである。
半導体装置等の電子部品は使用中に発熱するため、使用中の発熱による昇温で性能が劣化しないように、冷却する必要がある。そして、従来、半導体装置の実装方法として、放熱板（放熱用基板材）を介して実装する方法が実施されている。この方法には、ヒートスプレッダーを使用する方法がある。
ヒートスプレッダーを使用する方法は、図１に示すように、アルミニウム製のベース板１と、片側の面に接着された例えばエポキシ樹脂からなる絶縁層２と、絶縁層２の上に積層された金属（銅）層３とから構成されている金属ベース板上にヒートスプレッダー５が半田で固定され、ヒートスプレッダー５の上に半田を介して電子部品７が実装されている。現在、ヒートスプレッダーの材料として、Ｃｕ、ＭｏあるいはＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材が使用されている。なお、ＩｎｖａｒはＮｉが３６質量％で残りが実質的にＦｅの合金である。
ところが、Ｃｕは線膨張率が１７×１０−６／Ｋ程度と大きく、線膨張率が４×１０−６／Ｋ程度の電子部品７側との間のマッチングが十分でない。また、Ｍｏは線膨張率が４〜５×１０−６／Ｋと小さいため、金属ベース板１との間のマッチングが悪い。
一方、最近利用されているＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材は、積層材としての線膨張率が１０〜１１×１０−６／Ｋで、パワー半導体素子７側及び金属ベース板１側の両方に対してマ
ッチングが取れている。しかし、前記積層材を構成するＩｎｖａｒの熱伝導率が非常に小さいため、熱伝導率の大きなＣｕ（熱伝導率３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ））でサンドイッチ状に積層しても、厚さ方向の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さくなる。その結果、等方材相当とした場合の熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さくなり、放熱性の点で不充分である。また、ＩｎｖａｒをＣｕでサンドイッチ状に挟んだ積層構成とするため、製造コストが高くなる。
ッチングが取れている。しかし、前記積層材を構成するＩｎｖａｒの熱伝導率が非常に小さいため、熱伝導率の大きなＣｕ（熱伝導率３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ））でサンドイッチ状に積層しても、厚さ方向の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さくなる。その結果、等方材相当とした場合の熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さくなり、放熱性の点で不充分である。また、ＩｎｖａｒをＣｕでサンドイッチ状に挟んだ積層構成とするため、製造コストが高くなる。
本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、ヒートスプレッダーとして使用可能な放熱材を提供することにある。
前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明では、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％である多孔体又は粉末成形体から、下記（１）及び（２）の工程を経て金属基複合材料基板を作製し、前記金属基複合材料基板上にパワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とするパワーモジュール部材を提案し、その製造方法として、
（１）アルミニウム、アルミニウム合金、シリコン、シリコン合金及びガリウム合金の中から選ばれる１種類を含浸する工程
（２）面方向の面積がパワー半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚が半導体素子の厚さに対して１〜２０倍、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように加工する工程を規定したものである。
（１）アルミニウム、アルミニウム合金、シリコン、シリコン合金及びガリウム合金の中から選ばれる１種類を含浸する工程
（２）面方向の面積がパワー半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚が半導体素子の厚さに対して１〜２０倍、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように加工する工程を規定したものである。
請求項２に記載の発明では、金属基複合材料基板の表面に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上のめっき層を形成し、パワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とする、請求項１記載のパワーモジュール部材の製造方法を提案したものである。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２記載の製造方法で得られる、温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、温度２５℃〜１５０℃の線膨張係数が７〜１２×１０−６／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である金属基複合材料基板に、半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着してなるパワーモジュール部材を提案したものである。
請求項４に記載の発明では、請求項１又は２記載の製造方法で得られるパワーモジュール部材又は請求項３記載のパワーモジュール部材を、回路基板に搭載してなるパワーモジュール一体型基板を提案したものである。
請求項５に記載の発明では、
回路基板が、一主面又は両主面に絶縁層を介して金属回路を形成した基板であることを特徴とする、請求項４記載のパワーモジュール一体型基板を提案したものである。
回路基板が、一主面又は両主面に絶縁層を介して金属回路を形成した基板であることを特徴とする、請求項４記載のパワーモジュール一体型基板を提案したものである。
この実施の形態では以下の効果を有する。
本願発明のパワーモジュール部材は、特定の金属基複合材料であるので、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度で、従来のＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材よりも数段向上している。線膨張率は、７〜１２×１０-６／Ｋで有り、従来のＣｕやＭｏをヒートスプレッダーとした場合より低減している。従来実現不可能だった、Ｃｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材の低熱膨張率かつＣｕやＭｏの高熱伝導率の共有を実現した。
本願発明のパワーモジュール部材は、特定の金属基複合材料であるので、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度で、従来のＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材よりも数段向上している。線膨張率は、７〜１２×１０-６／Ｋで有り、従来のＣｕやＭｏをヒートスプレッダーとした場合より低減している。従来実現不可能だった、Ｃｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕの３層積層材の低熱膨張率かつＣｕやＭｏの高熱伝導率の共有を実現した。
その結果、電子部品１６側及び金属基板１５側の両方に対して良好なマッチングが取れて信頼性を確保でき、さらに、熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上なのでヒートスプレッダーとして好適に使用できる。
以下、本発明を具体化した実施の形態を図２〜図５により、説明する。
図２は本願発明の金属基複合材料基板の模式断面図であり、９は炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％である多孔体又は粉末成形体を示し、１０は、溶湯鍛造法にて、含浸圧力３０ＭＰａ以上で含浸されたアルミニウム又はアルミニウム合金を示す。９の材質としては、炭化珪素または黒鉛が特に好ましい。また、前述の材料の単一材料ではなく、各材料の複合材料でもかまわない。
図３は、１１の金属基複合材料基板上に７のパワー半導体素子を１２に示したロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着したパワーモジュール部材を示した。ロウ付け又ははんだ付けに使用するロウまたははんだの材質は特に規定しないが、パワー半導体素子を金属ベース板にはんだ付け等により、接合することを考慮すると、一般のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだよりも融点の高い、例えばＡｕ−Ｓｉまたは、Ａｕ−Ｇｅのようなものが好ましい。
また、よりパワー半導体素子からの放熱を効果的に行うため、パワー半導体素子と金属基複合材料基板の面積の関係を面方向の面積が半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚が半導体素子の厚さに対して１〜２０倍とすることが好ましい。さらに、パワー半導体素子と金属基複合材料基板間の接触熱抵抗を低減させるため、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように切加工することが好ましい。
図４は、図３で示したパワーモジュール部材を回路基板に搭載してなるパワーモジュール一体型基板を示した。
図５は、両主面に絶縁層を介して金属回路を形成した基板に図３で示したパワーモジュール部材を回路基板に搭載してなるパワーモジュール一体型基板を示した。図５では、両主面に図３で示したパワーモジュール部材が搭載されているが、当該部材の搭載は片主面のみでも効果は十分発揮する。
（実施例１〜３）
〈パワー半導体素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１１７００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）５９００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース、信越化学工業社製、「メトローズ」）１０００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４０ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
〈パワー半導体素子用金属基複合材料基板の作製〉
炭化珪素（以下、ＳｉＣという）粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１１７００ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）５９００ｇ、炭化珪素粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース、信越化学工業社製、「メトローズ」）１０００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４０ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１８００℃で２時間焼成して、気孔率が２０体積％のＳｉＣプリフォームを作製した。
得られたＳｉＣプリフォームに窒化硼素の離型剤を塗布し、外形寸法：２００ｍｍ×２００ｍｍ×１００ｍｍ（内径寸法：Φ１４２．５ｍｍ×１００ｍｍ）の筒状の黒鉛治具に挿入して構造体とした。次に、２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、２００．８ｍｍ×２００．８ｍｍ×１００ｍｍの形状となる様に構造体４個を離型板を挟んで積層して、両側に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。次に、積層体を電気炉で温度７００℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ４００ｍｍ×３００ｍｍＨのプレス型内に収め、シリコンを１２質量％含有するアルミニウム合金（表１中Ａｌ−Ｓｉと表記）の溶湯（温度：８００℃）を注ぎ、１００ＭＰａの圧力で２５分間加圧してＳｉＣプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、離型板を剥がし、旋盤で黒鉛治具部分を除去してΦ１４２ｍｍ×１００ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料は、含浸時の歪み除去のために５３０℃の温度で３時間アニール処理を行った。
次に、得られた金属基複合材料から、研削加工により線膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ長さ１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）、作製した。それぞれの試験体を用いて、温度２５℃〜１５０℃の線膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で、温度２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（アルバック社製；ＴＣ３０００）にて測定した。表面粗さ（Ｒａ）は、表面粗さ測定器東京精密社製 Surfcom130Aで測定した。これらの結果については、表１に示した。
（実施例４、５）
前述の実施例１〜３の条件で、ＳｉＣ粉末Ａ〜Ｃの配合比、及び焼成条件を次のように調整し、表１に示した内容の金属基複合材料を得た。実施例４は、ＳｉＣ粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１７５００ｇ、ｇ、ＳｉＣ粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１８００℃で２時間焼成にて、実施例５は、ＳｉＣ粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１１７００ｇ、ＳｉＣ粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）５９００ｇ、ＳｉＣ粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１８５０℃で６時間焼成にて得た。
前述の実施例１〜３の条件で、ＳｉＣ粉末Ａ〜Ｃの配合比、及び焼成条件を次のように調整し、表１に示した内容の金属基複合材料を得た。実施例４は、ＳｉＣ粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１７５００ｇ、ｇ、ＳｉＣ粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１８００℃で２時間焼成にて、実施例５は、ＳｉＣ粉末Ａ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６０、平均粒子径２００μｍ）１１７００ｇ、ＳｉＣ粉末Ｂ（大平洋ランダム社製、ＮＧ−６００、平均粒子径２０μｍ）５９００ｇ、ＳｉＣ粉末Ｃ（大平洋ランダム社製、ＮＣ−６０００、平均粒子径２μｍ）２０００ｇ、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、アルゴン雰囲気下、温度１８５０℃で６時間焼成にて得た。
（実施例６）
シリコンを含まないアルミニウム金属（表１中Ａｌと表記）の溶湯（温度：８００℃）を注いだこと以外は、実施例１〜３と同様の手法で表１に示した内容の金属基複合材料を得た。
シリコンを含まないアルミニウム金属（表１中Ａｌと表記）の溶湯（温度：８００℃）を注いだこと以外は、実施例１〜３と同様の手法で表１に示した内容の金属基複合材料を得た。
(実施例７)
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）１８７００ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）８００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１０００ｇ、純水１０００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４０ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
窒化アルミニウム粉末（平均粒子径２μｍ）１８７００ｇ、酸化イットリウム粉末（信越レア・アース社製、ＵＵグレード、平均粒子径１μｍ）８００ｇ、及び成形バインダー（メチルセルロース）１０００ｇ、純水１０００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４０ｍｍ×１１０ｍｍの寸法の円柱状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
得られた成形体を、大気雰囲気中、温度６００℃で２時間脱脂処理後、窒素雰囲気下、温度１７２０℃で４時間焼成して、気孔率が３５体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ１４０ｍｍ×１００ｍｍの形状に加工した。
次に、得られたプリフォームを、アルミニウム合金の代わりにアルミニウムを使用した以外は、実施例１〜３と同様の方法で処理してΦ１４０ｍｍ×１００ｍｍ形状の金属基複合材料を得た。得られた金属基複合材料より、実施例１〜３と同様に試験体を作製し特性評価を行った。結果を表１に示す。
（実施例８）
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）１８１００ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）１０００ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）４００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４２ｍｍ×１０ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
窒化珪素粉末（電気化学工業社製、ＮＰ−２００、平均粒子径：１μｍ）１８１００ｇ、酸化イットリウム粉末（平均粒子径：１μｍ）１０００ｇ、酸化マグネシウム粉末（岩谷化学社製、ＭＪ−３０、平均粒子径：１μｍ）４００ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、Φ１４２ｍｍ×１０ｍｍの寸法の円板状に面圧１０ＭＰａでプレス成形した後、成形圧力１００ＭＰａでＣＩＰ成形して成形体を作製した。
得られた成形体を、０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気下、温度１８１０℃で４時間焼成して、気孔率が３５体積％のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、マシニングセンターでダイヤモンド砥石を用いて、外形寸法が、Φ１４０ｍｍ×５ｍｍの形状に加工した。
（実施例９）
ダイヤモンド粉末Ａ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１２０μｍ）８０ｇとダイヤモンド粉末Ｂ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１５μｍ）２０ｇを、アルミナ製の乳鉢で１０分間混合した後、外形寸法２００ｍｍ×２００ｍｍ×２０ｍｍ（内径寸法Φ１４２．５ｍｍ×２０ｍｍ）の筒状の黒鉛治具（１）に、外形寸法Φ１４２．４ｍｍ×９ｍｍの黒鉛治具（２）を挿入した後、ダイヤモンドの混合粉末７０ｇを充填し、更に、ダイヤモンドの混合粉末の上面に黒鉛治具（２）を挿入して構造体とした。次に、２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、この構造体を、離型板を挟んで積層し、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。充填したダイヤモンド粉末の質量及び体積より気孔率を算出した結果、気孔率は４０体積％であった。
ダイヤモンド粉末Ａ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１２０μｍ）８０ｇとダイヤモンド粉末Ｂ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、ＭＢＧ−６００、平均粒子径：１５μｍ）２０ｇを、アルミナ製の乳鉢で１０分間混合した後、外形寸法２００ｍｍ×２００ｍｍ×２０ｍｍ（内径寸法Φ１４２．５ｍｍ×２０ｍｍ）の筒状の黒鉛治具（１）に、外形寸法Φ１４２．４ｍｍ×９ｍｍの黒鉛治具（２）を挿入した後、ダイヤモンドの混合粉末７０ｇを充填し、更に、ダイヤモンドの混合粉末の上面に黒鉛治具（２）を挿入して構造体とした。次に、２００ｍｍ×２００ｍｍ×０．８ｍｍｔのステンレス板に黒鉛離型材を塗布して離型板を作製し、この構造体を、離型板を挟んで積層し、上下に１２ｍｍ厚みの鉄板を配置して、Ｍ１０のボルト８本で連結して一つの積層体とした。充填したダイヤモンド粉末の質量及び体積より気孔率を算出した結果、気孔率は４０体積％であった。
次に、この積層体を実施例１と同様の方法で処理して、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２０ｍｍの形状で周囲が黒鉛治具に囲まれたパワーモジュール素子用金属基複合材料を得た。得られたパワーモジュール素子用金属基複合材料は、黒鉛治具に囲まれた構造となっており、アルミニウム−ダイヤモンドからなる金属基複合材料が露出するまで、両主面側（７０ｍｍ×７０ｍｍ）より、平面研削盤でダイヤモンド砥石を用いて研削加工を行い、７０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍｔの板状形状に加工した。次に、ウォータージェット加工機で、Φ５０．８ｍｍ×２ｍｍの円板形状に外周加工を行った。
次に、得られた金属基複合材料より、研削加工により線膨張係数測定用試験体（２ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍ）、熱伝導率測定用試験体（２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）を作製した。それぞれの試験体を用いて、実施例１〜３と同様にして評価を行った。
〈パワー半導体素子用金属基複合材料基板の作製〉
得られた上記の各金属基複合材料を、平面研削盤等にてパワー半導体素子（３ｍｍ×３ｍｍ）に対する面積比が表１に示すように正方形に外形加工し、ダイヤモンド砥石等により、表1に示すようなパワー半導体素子（１ｍｍｔ）に対する板厚比の板厚まで研削加工を行って金属基複合材料基板を作製した。
得られた上記の各金属基複合材料を、平面研削盤等にてパワー半導体素子（３ｍｍ×３ｍｍ）に対する面積比が表１に示すように正方形に外形加工し、ダイヤモンド砥石等により、表1に示すようなパワー半導体素子（１ｍｍｔ）に対する板厚比の板厚まで研削加工を行って金属基複合材料基板を作製した。
次に、このそれぞれの金属基複合材料の表面を洗浄後、無電解Ｎｉ―Ｐ及びＮｉ−Ｂめっきを行い、複合材料の表面に４μｍ厚（Ｎｉ−Ｐ：３μｍ＋Ｎｉ−Ｂ：１μｍ）のめっき層を形成した。さらに、その上に無電解Ａｕめっき層を形成した。
〈パワー半導体素子付き金属基複合材料基板モジュールの作製〉
上記記載の７種類の金属基複合材料に対し、表１に示すような組み合わせにて、銀ペーストを用いて、パワー半導体素子（３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍｔ）を接合した。また、更にそれらを所望の回路を有する金属ベース板にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだにて接合した。
上記記載の７種類の金属基複合材料に対し、表１に示すような組み合わせにて、銀ペーストを用いて、パワー半導体素子（３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍｔ）を接合した。また、更にそれらを所望の回路を有する金属ベース板にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだにて接合した。
〈パワー半導体素子付き金属基複合材料基板モジュールの評価〉
水冷構造により、温度を２５℃に保持できるような冷却フィン上に熱伝達が十分に行われるように前述のパワー半導体素子付き金属基複合材料基板モジュールを配置し、パワー半導体素子に所望の電力を印加し、定常状態でのパワー半導体素子表面温度をサーモビュワーにて測定した。その結果を表1に示した。さらに、−４０℃〜１２５℃の条件にヒートサイクル試験を空気中にて５サイクル実施した後に、前述と同様の条件にてパワー半導体素子表面温度をサーモビュワーにて測定した。その結果を表1に示した。
水冷構造により、温度を２５℃に保持できるような冷却フィン上に熱伝達が十分に行われるように前述のパワー半導体素子付き金属基複合材料基板モジュールを配置し、パワー半導体素子に所望の電力を印加し、定常状態でのパワー半導体素子表面温度をサーモビュワーにて測定した。その結果を表1に示した。さらに、−４０℃〜１２５℃の条件にヒートサイクル試験を空気中にて５サイクル実施した後に、前述と同様の条件にてパワー半導体素子表面温度をサーモビュワーにて測定した。その結果を表1に示した。
（比較例１、２）
前述の実施例１〜９に対して金属基複合材料基板の代わりにＣｕ及びＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕを用いた以外は、同様の処理および評価を行った結果を表１に示した。
前述の実施例１〜９に対して金属基複合材料基板の代わりにＣｕ及びＣｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕを用いた以外は、同様の処理および評価を行った結果を表１に示した。
Ｃｕ／Ｉｎｖａｒ／Ｃｕと比べ実施例１〜９のパワー半導体素子表面温度は、低温であり、Ｃｕと比べてもパワー半導体素子表面温度は、同等もしくはそれ以下であった。
（実施例１０〜１６、比較例３〜５）
実施例１〜３で示した金属基複合材を用い、加工条件を変えて、金属基複合基板を作製し、パワー半導体素子を搭載した。実施例１〜９、比較例１、２と同様の評価を行った。得られた結果を表２に示す。
実施例１〜３で示した金属基複合材を用い、加工条件を変えて、金属基複合基板を作製し、パワー半導体素子を搭載した。実施例１〜９、比較例１、２と同様の評価を行った。得られた結果を表２に示す。
パワー半導体素子の出力アップに伴う高放熱及び高信頼性の要求にこたえるモジュール構造を提供できる。
１ ベース板
２ 絶縁層
３ 金属回路
４ 接合層（１）
５ ヒートスプレッダー
６ 接合層（２）
７ パワー半導体素子
８ 金属ワイヤー
９ 多孔体又は粉末成形体
１０ アルミニウム又はアルミニウム合金
１１ 金属基複合材料基板
１２ ロウ付け又ははんだ付け層
２ 絶縁層
３ 金属回路
４ 接合層（１）
５ ヒートスプレッダー
６ 接合層（２）
７ パワー半導体素子
８ 金属ワイヤー
９ 多孔体又は粉末成形体
１０ アルミニウム又はアルミニウム合金
１１ 金属基複合材料基板
１２ ロウ付け又ははんだ付け層
Claims (5)
- 炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、ダイヤモンド及び黒鉛の中から選ばれる１種類以上からなり、気孔率が１０〜５０体積％である多孔体又は粉末成形体から、下記（１）及び（２）の工程を経て金属基複合材料基板を作製し、前記金属基複合材料基板上にパワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とするパワーモジュール部材の製造方法。
（１）アルミニウム、アルミニウム合金、シリコン、シリコン合金及びガリウム合金の中から選ばれる１種類を含浸する工程
（２）面方向の面積がパワー半導体素子の搭載面の面積に対し２〜１００倍、板厚がパワー半導体素子の厚さに対して１〜２０倍、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１〜０．５μｍになるように加工する工程 - 金属基複合材料基板の表面に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎの中から選ばれる少なくとも１種以上のめっき層を形成し、パワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着することを特徴とする、請求項１記載のパワーモジュール部材の製造方法。
- 請求項１又は２記載の製造方法で得られる、温度２５℃の熱伝導率が１００Ｗ／(ｍ・Ｋ)以上、温度２５℃〜１５０℃の線膨張係数が７〜１２×１０-６／Ｋ、３点曲げ強度が５０ＭＰａ以上である金属基複合材料基板に、パワー半導体素子をロウ付け又ははんだ付けにより接合、或いは、銀ペーストにより接着してなるパワーモジュール部材。
- 請求項１又は２記載の製造方法で得られるパワーモジュール部材又は請求項３記載のパワーモジュール部材を、回路基板に搭載してなるパワーモジュール一体型基板。
- 回路基板が、一主面又は両主面に絶縁層を介して金属回路を形成した基板であることを特徴とする、請求項４記載のパワーモジュール一体型基板。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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