JP2020178031A - 放熱装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載面の反りが小さく且つ製造コストを削減しうる放熱装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】放熱装置１は絶縁基板５とベースプレート７を具備する。絶縁基板５は、セラミック製絶縁層３と絶縁層３の上面に接合されたアルミニウム製上配線層２と絶縁層３の下面に接合されたアルミニウム製下配線層４とを備える。下配線層４とベースプレート７が積層状にろう付接合されている。ベースプレート７は、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層７Ａと、平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層７Ｂとを備える。アルミニウム層７Ａと複合材層７Ｂが積層状に接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置及びその製造方法に関する。

ここで、本発明に係る放熱装置の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、放熱装置の構成を理解し易くするため、放熱装置における発熱性素子が搭載される側を放熱装置の上側、及び、その反対側を放熱装置の下側と定義する。

また、本明細書及び特許請求の範囲では、文中に特に明示した場合を除き、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。

発熱性素子として例えばパワー半導体素子を備えるパワーモジュールは、一般に絶縁基板（例：ＤＡＢ基板、ＤＢＣ基板）を具備している。絶縁基板は、セラミック製絶縁層と、絶縁層の上面に接合された金属製上配線層と、絶縁層の下面に接合された金属製下配線層とを備えている。パワー半導体素子は、一般に絶縁基板の上配線層の上面からなる搭載面にはんだ層を介して接合されることで搭載面に搭載される。

絶縁基板の下配線層はその下側に配置されたベースプレートと積層状にろう付接合される。さらに、ベースプレートはその下側に配置された部材として例えば放熱部材と積層状に締結又は接合される。これにより、パワー半導体素子の熱を放散する放熱装置が構成される。ベースプレートは一般に銅製である（特許文献１参照）。

特開平７−１４２６７４号公報

絶縁基板はセラミック製絶縁層を備えているため一般にその平面方向の線膨張係数が低く、よって絶縁基板の平面方向の線膨張係数と銅製ベースプレートの平面方向の線膨張係数との差が大きい。そのため、絶縁基板とベースプレートをろう付接合する際に絶縁基板に大きな熱応力が加わり、この熱応力により絶縁基板の上配線層の搭載面に反りが生じ易い。搭載面に反りが生じると、搭載面のパワー半導体素子（発熱性素子）とのはんだ付接合性に悪影響を与えるし、パワー半導体素子が傾いた状態に搭載面に搭載され易くなる。

ここで、アルミニウム−炭素粒子複合材は高い熱伝導性を有するとともに、更に、低い線膨張係数を有している。そこで、この複合材で絶縁基板のベースプレートを形成することが考えられる。

しかしながら、この複合材は高価である。そのため、この複合材でベースプレート全体を形成すると、絶縁基板の製造コストが増大する虞がある。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、搭載面の反りが小さく、且つ、製造コストを削減しうる放熱装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

１） セラミック製絶縁層と前記絶縁層の上面に接合されたアルミニウム製上配線層と前記絶縁層の下面に接合されたアルミニウム製下配線層とを備えた絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記下配線層の下側に配置されるベースプレートと、を具備し、
前記上配線層はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、
前記下配線層と前記ベースプレートが積層状にろう付接合され、
前記ベースプレートは、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層と平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層とを備えるとともに、前記アルミニウム層と前記複合材層が積層状に接合されている放熱装置。

２） 前記ベースプレートの前記アルミニウム層のアルミニウムの純度が９９質量％以上である前項１記載の放熱装置。

３） 前記ベースプレートにおいて前記複合材層が前記アルミニウム層の下側に配置されている前項１又は２記載の放熱装置。

４） 前記ベースプレートの前記アルミニウム層の厚さをＡ、及び、前記ベースプレートの前記複合材層の厚さをＢとするとき、
Ａ：Ｂが１：２〜２：１の範囲に設定されている前項１〜３のいずれかに記載の放熱装置。

５） 前記ベースプレートの前記アルミニウム層の厚さをＡ、前記ベースプレートの前記複合材層の厚さをＢ、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値をｘ、及び、前記複合材層の平面方向の線膨張係数をｙ（その単位：ｐｐｍ／Ｋ）とするとき、
ｘ及びｙが次式１〜３を全て満足している前項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
１／３≦ｘ≦２／３ … 式１
２≦ｙ … 式２
ｙ≦−２１ｘ＋２１ … 式３。

６） セラミック製絶縁層と前記絶縁層の上面に接合されたアルミニウム製上配線層と前記絶縁層の下面に接合されたアルミニウム製下配線層とを備えた絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記下配線層の下側に配置されるベースプレートと、を準備し、
前記上配線層はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、
前記ベースプレートは、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層と平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層とを備えるとともに、前記アルミニウム層と前記複合材層は互いに別体であり、
前記ベースプレートにおける前記アルミニウム層と前記複合材層とを積層状にろう付接合するのと同時に前記絶縁基板の前記下配線層と前記ベースプレートとを積層状にろう付接合する放熱装置の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１では、ベースプレートは、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層と平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層とを備えることにより、絶縁基板の平面方向の線膨張係数とベースプレートの平面方向の線膨張係数との差を小さくすることができ、そのため、放熱装置における発熱性素子が搭載される搭載面の反りを低減することができるし、更に、放熱装置の製造コストを削減することができるし、放熱装置の放熱性能を向上させることができるし、ベースプレートの加工性の低下を抑制することができる。

前項２では、ベースプレートのアルミニウム層のアルミニウムの純度が９９質量％以上であることにより、放熱装置の製造コストを確実に削減することができる。さらに、ベースプレートの厚さ方向の熱伝導率が高くなり、そのため放熱装置の放熱性能を確実に向上させることができる。

前項３では、ベースプレートにおいて複合材層がアルミニウム層の下側に配置していることにより、搭載面の反りを確実に低減することができる。

前項４では、アルミニウム層の厚さＡと複合材層の厚さＢとの比Ａ：Ｂが１：２〜２：１の範囲に設定されていることにより、前項１の効果を確実に発揮させることができる。

前項５では、ｘ及びｙが上記式１〜３を全て満足していることにより、前項１の効果を確実に発揮させることができる。

前項６では、ベースプレートにおけるアルミニウム層と複合材層とを積層状にろう付接合するのと同時に絶縁基板の下配線層とベースプレートとを積層状にろう付接合することにより、前項１〜５のいずれかに記載の放熱装置の製造工程数を減らすことができ、そのため、放熱装置の製造コストを更に削減することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱装置の概略断面図である。 図２は、同放熱装置においてｘ及びｙの関係を説明する図（グラフ）である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る放熱装置の概略断面図である。 図４は、同放熱装置の製造方法を説明する概略断面図である。

本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る放熱装置１は、絶縁基板５、ベースプレート７、ベースプレート７の下側に配置された部材９などを具備しており、これらの部材５、７、９は積層状に接合一体化されている。上述の部材９は具体的には例えば放熱部材であり、その材料は例えばアルミニウム等の金属である。

絶縁基板５は、ＤＡＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板とも呼ばれているものであり、絶縁層３と、絶縁層３の上面に直接的に接合されたアルミニウム製上配線層２と、絶縁層３の下面に直接的に接合されたアルミニウム製下配線層４とを備えている。なお、絶縁基板５において、上配線層２は回路層とも呼ばれており、下配線層４は緩衝層とも呼ばれている。

絶縁層３は電気絶縁性を有しており、セラミック製である。セラミックの種類は限定されるものではなく、セラミックとして、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などが用いられる。セラミックの線膨張係数は金属（例：アルミニウム、銅）の線膨張係数よりも低く、そのため、絶縁基板５の平面方向の線膨張係数は概ね５〜９ｐｐｍ／Ｋである。

上配線層２、絶縁層３及び下配線層４はそれぞれ例えば平面視略方形状のものである。絶縁層３の一辺の長さは上配線層２及び下配線層４の一辺の長さよりも長い。

上配線層２、絶縁層３及び下配線層４は、通常、下配線層４とベースプレート７が接合される前に予め接合一体化されている。

上配線層２はその上側に発熱性素子（二点鎖線で示す）が搭載されるものであり、具体的には上配線層２はその上面からなる、発熱性素子２１用搭載面２ａを有している。発熱性素子２１は半導体素子（例：パワー半導体素子）などであり、上配線層２の搭載面２ａにはんだ層（二点鎖線で示す）２２を介して接合されることで搭載面２ａに搭載される。なお、搭載面２ａには搭載面２ａの発熱性素子２１とのはんだ付接合性を向上させるための膜（例：ニッケルめっき膜）が形成される場合もある。

ベースプレート７は、絶縁基板５の下配線層４の下側に配置されるとともに下配線層４と積層状にろう付接合される部材である。ここで本明細書では、「ろう付接合」とは、ろう付けにより接合されることを意味する。

ベースプレート７は板状（詳述すると平板状）であって例えば平面視略方形状のものである。ベースプレート７の一辺の長さは絶縁基板５の下配線層４の一辺の長さより長い。

ベースプレート７の厚さは限定されるものではなく、例えば１〜１０ｍｍである。

そして、放熱装置１において、絶縁基板５の下配線層４とベースプレート７とは、両者４、７の間に配置された両面アルミニウムブレージングシート１１又はろう材箔（図示せず）を用いてろう付接合されている。

すなわち、絶縁基板５の下配線層４とベースプレート７とを接合する場合には、絶縁基板５の下配線層４とベースプレート７との間に両面アルミニウムブレージングシート１１又はろう材箔を配置し、そしてこの状態でこれらを所定のろう付け雰囲気（例：非酸化性雰囲気、真空）中にて所定のろう付け温度（例：５９０〜６２０℃）に加熱する。これにより、下配線層４とベースプレート７が積層状にろう付接合される。符号「６」は下配線層４とベースプレート７を接合したろう付接合層であり、ろう付接合層６は下配線層４とベースプレート７との間に配置（介在）されている。

下配線層４とベースプレート７を接合するろう付け手段は限定されるものではなく、特に真空ろう付けであることが好ましい。

ここで、両面アルミニウムブレージングシート１１とは、アルミニウムからなる心材の両面にそれぞれ皮材としてのアルミニウム系ろう材層がクラッドされたものである。ブレージングシート１１は一般に薄い方が熱伝導性が高いため、ブレージングシート１１の厚さは１ｍｍ以下であることが好ましく、特に０．５ｍｍ以下であることがよい。ブレージングシート１１の厚さの下限は限定されるものではなく、通常０．１ｍｍである。

さらに、ブレージングシート１１には応力緩和のための厚さ方向に貫通した穴が設けられていてもよい。

ブレージングシート１１の各ろう材層及びろう材箔のろう材は、アルミニウム系のものであり、特にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材であることが好ましい。さらに、ろう材の流動性を向上させる元素成分（例：Ｂｉ、Ｓｒ）がろう材に微量に添加されていてもよい。

具体的には、本第１実施形態では、下配線層４とベースプレート７は、両者４、７の間に配置された両面アルミニウムブレージングシート１１を用いてろう付接合されている。したがって、下配線層４とベースプレート７は、ブレージングシート１１からなるろう付接合層６を介してろう付接合されている。

放熱部材９は、発熱性素子２１から絶縁基板５及びベースプレート７を順次伝導してきた熱を放散する板状のものであり、例えばヒートシンクからなる。ただし本発明では、放熱部材９はヒートシンクからなるものであることに限定されるものではなく、その他に例えば液冷式のものであってもよい。この場合、放熱部材９は一般に冷却液が流通する通路を有する。

ベースプレート７と放熱部材９は、所定の締結部材（例：ボルト）により積層状に機械的に締結されるか、あるいは所定の接合手段（例：ろう付け）により積層状に金属的（冶金的）に接合されている。

次に、ベースプレート７の構成について以下に説明する。

ベースプレート７は、アルミニウム層７Ａとアルミニウム−炭素粒子複合材層７Ｂとを備える。複合材層７Ｂはアルミニウム層７Ａの下側に配置されるとともに、アルミニウム層７Ａと複合材層７Ｂが積層状に接合一体化されており、これによりベースプレート７が形成されている。

アルミニウム層７Ａと複合材層７Ｂを接合する接合手段は限定されるものではない。本第１実施形態ではアルミニウム層７Ａと複合材層７Ｂは圧延クラッドされるか又は焼結接合されており、後述する第２実施形態ではアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂはろう付接合されている。

複合材層７Ｂはアルミニウム−炭素粒子複合材からなる。複合材は、アルミニウムマトリックス（図示せず）とアルミニウムマトリックス中に分散した多数の炭素粒子（図示せず）とを含むものであり、アルミニウム基炭素粒子複合材とも呼ばれている。

炭素粒子としては、炭素繊維（例：ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維）、カーボンナノチューブ（ＶＧＣＦ（登録商標）を含む）、グラフェン（例：単層グラフェン、多層グラフェン）、天然黒鉛粒子（例：鱗片状黒鉛粒子）、人造黒鉛粒子（例：異方性黒鉛粒子、等方性黒鉛粒子）などが用いられる。また、複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数を所望する値（範囲）に設定するため、これらの粒子の中から選択された複数種を炭素粒子として用いてもよい。

炭素粒子の大きさは限定されるものではなく、好ましくは炭素粒子の最長軸方向の平均長さは０．１μｍ〜２ｍｍである。

複合材層７Ｂにおいて、複合材に対する炭素粒子の体積含有率は限定されるものではないが、炭素粒子の使用量を少なくすることでベースプレート７の製造コスト（即ち放熱装置１の製造コスト）を削減するため、６０体積％以下であることが好ましく、特に４０体積％以下であることがよい。複合材に対する炭素粒子の体積含有率の下限は限定されるものではなく、好ましくは１０体積％である。

複合材の製造方法は限定されるものではなく、複合材の製造方法として粉末焼結法、塗工＋焼結法などが用いられる。粉末焼結法とは、アルミニウム粉末と炭素粉末（炭素粒子として）との混合物を焼結素材として所定の焼結装置により焼結する方法である。塗工＋焼結法とは、アルミニウム箔上に炭素粒子が塗工された炭素粒子塗工箔の積層体を焼結素材として所定の焼結装置により焼結する方法である。

焼結装置は限定されるものではなく、焼結装置として真空ホットプレス装置、放電プラズマ焼結装置などが用いられる。焼結装置として真空ホットプレス装置が用いられる場合における焼結条件の一例は次のとおりである。

焼結温度は４５０〜６４０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、焼結素材への最終加圧力は１〜４０ＭＰａである。

複合材層７Ｂ中の炭素粒子は例えば複合材層７Ｂの平面方向に配向している。この場合、複合材層７Ｂは熱伝導率に異方性を有し、具体的には複合材層７Ｂの厚さ方向の熱伝導率は複合材層７Ｂの平面方向の熱伝導率よりも低い。

複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数は２〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲に設定されている。これにより、絶縁基板５の平面方向の線膨張係数とベースプレート７の平面方向の線膨張係数との差を小さくすることができ、そのため、搭載面２ａの反りを低減することができるし、さらに、ベースプレート７の製造コスト（即ち放熱装置１の製造コスト）を削減することができるし、ベースプレート７の加工性（例：塑性加工性）の低下を抑制することができる。

すなわち、この線膨張係数が１５ｐｐｍ／Ｋを超える場合、絶縁基板５の平面方向の線膨張係数とベースプレート７の平面方向の線膨張係数との差が大きく、そのため搭載面２ａの反りが大きくなる。この線膨張係数が２ｐｐｍ／Ｋ未満の場合、複合材層７Ｂを製造するための炭素粒子の使用量が多い。その結果、ベースプレート７の製造コストが高くなるし、ベースプレート７の加工性が低下する。

ここで、複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数とは、詳述すると２５℃から３００℃の範囲における複合材層７Ｂの平面方向の平均線膨張係数を意味する。放熱装置１の各構成部材の平面方向の線膨張係数の意味もこれと同じである。

アルミニウム層７Ａはアルミニウムからなる。アルミニウム層７Ａの厚さ方向の熱伝導率とアルミニウム層７Ａの平面方向の熱伝導率とは概ね等しい。

アルミニウム層７Ａの厚さは３００μｍ以上でなければならない。この場合、放熱装置１の放熱性能を向上させることができるし、ベースプレート７の製造コストを削減することができる。アルミニウム層７Ａの厚さが３００μｍ未満では、放熱装置１の放熱性能を向上させる効果に乏しいし、ベースプレート７の製造コストを削減する効果にも乏しい。

アルミニウム層７Ａの厚さの上限は限定されるものではなく、好ましくは５０００μｍある。

さらに、アルミニウム層７Ａの厚さをＡ、及び、複合材層７Ｂの厚さをＢとするとき、Ａ：Ｂは１：２〜２：１の範囲に設定されていることが好ましい。その理由は次のとおりである。

すなわち、Ａ≧Ｂ／２の場合は、アルミニウム層７Ａが厚く、そのため、ベースプレート７の製造コストを確実に削減することができるし、放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができる。

Ｂ≧Ａ／２の場合は、複合材層７Ｂが厚く、そのため、搭載面２ａの反りを確実に低減することができるし、ベースプレート７の強度を高めることができる。

さらに、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値をｘ、及び、複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数をｙ（その単位：ｐｐｍ／Ｋ）とするとき、ｘ及びｙは下記式１〜３を全て満足していることが好ましい。すなわち、アルミニウム層７Ａの厚さＡと複合材層７Ｂの厚さＢと複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数ｙとは、ｘ及びｙが図２に示した斜線領域Ｄに位置するように設定されていることが好ましい。なお、斜線領域Ｄとは、図２中のＸ軸（横軸）及びＹ軸（縦軸）の直交座標においてｘ＝１／３の直線とｘ＝２／３の直線とｙ＝２の直線とｙ＝−２１ｘ＋２１の直線とで包囲された領域（各境界直線上を含む）である。Ａ及びＢのそれぞれの単位は通常「μｍ」が用いられる。

１／３≦ｘ≦２／３ … 式１
２≦ｙ … 式２
ｙ≦−２１ｘ＋２１ … 式３。

ｘ及びｙが式１〜３を全て満足していることにより、搭載面２ａの反りを確実に低減することができるし、ベースプレート７の製造コストを確実に削減することができるし、放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができるし、ベースプレート７の加工性の低下を確実に抑制することができるし、ベースプレート７の強度を高めることができる。その理由は以下のとおりである。

ｘが式１中の「１／３≦ｘ」を満足する場合とは、上述したＡ≧Ｂ／２の場合を意味する。したがって、ベースプレート７の製造コストを確実に削減することができるし、放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができる。

ｘが式１中の「ｘ≦２／３」を満足する場合とは、上述したＢ≧Ａ／２の場合を意味する。したがって、搭載面２ａの反りを確実に低減することができるし、ベースプレート７の強度を高めることができる。

ｙが式２である「２≦ｙ」を満足することにより、複合材層７Ｂを製造するための炭素粒子の使用量を確実に少なくすることができ、そのため、ベースプレート７の製造コストを確実に削減することができるし、ベースプレート７の加工性の低下を確実に抑制することができる。

ｘ及びｙが式３である「ｙ≦−２１ｘ＋２１」を満足することにより、搭載面２ａの反りを確実に低減することができる。

ここで、複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数が複合材層７Ｂの平面方向に平行な複数の方向で相異する場合は、これらの線膨張係数の算術平均値を複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数として採用される。

アルミニウム層７Ａのアルミニウムの純度は限定されるものではないが、９９質量％以上であることが好ましい。この場合、アルミニウム層７Ａのアルミニウム材料を安価に入手することができるし、ベースプレート７の厚さ方向の熱伝導率が高くなる。これにより、ベースプレート７の製造コストを確実に削減することができるし、放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができる。

アルミニウム層７Ａのアルミニウムの純度の上限は限定されるものではないが、ベースプレート７の製造コストを確実に削減し且つ放熱装置１の放熱性能を確実に向上させるため、アルミニウムの純度の上限は９９．３質量％であることが好ましい。

さらに、ベースプレート７において、上述したように複合材層７Ｂはアルミニウム層７Ａの下側に配置されている。したがって、複合材層７Ｂがアルミニウム層７Ａの上側に配置されている場合よりも複合材層７Ｂが絶縁層３から離れた位置に配置されているので、搭載面２ａの反りを確実に低減することができる。

図３及び４は、本発明の第２実施形態に係る放熱装置１０１及びその製造方法を説明する図である。これらの図において、上記第１実施形態の放熱装置１の要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の放熱装置１の要素に付された符号に１００を加算した符号が付されている。本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に以下に説明する。

図３に示すように、本第２実施形態の放熱装置１０１では、ベースプレート１０７におけるアルミニウム層１０７Ａとアルミニウム−炭素粒子複合材層１０７Ｂは、両者１０７Ａ、１０７Ｂの間に配置された両面アルミニウムブレージングシート１１２又はろう材箔を用いてろう付接合されている。符号「１０８」はアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂを接合したろう付接合層であり、ろう付接合層１０８はアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂとの間に配置（介在）されている。

アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂを接合するろう付け手段は限定されるものではなく、特に真空ろう付けであることが好ましい。

具体的には、本第２実施形態では、アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂは、両者１０７Ａ、１０７Ｂの間に配置された両面アルミニウムブレージングシート１１２を用いてろう付接合されている。したがって、アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂは、ブレージングシート１１２からなるろう付接合層１０８を介してろう付接合されている。

本第２実施形態の放熱装置１０１のその他の構成は上記第１実施形態の放熱装置１の構成と同じである。

本第２実施形態の放熱装置１０１の製造方法は次のとおりである。

図４に示すように、絶縁基板１０５とベースプレート１０７をそれぞれ準備する。

絶縁基板１０５における上配線層１０２、絶縁層１０３及び下配線層１０４は予め接合一体化されている。

ベースプレート１０７は、アルミニウム層１０７Ａとアルミニウム−炭素粒子複合材層１０７Ｂとを備えるとともに、両者１０７Ａ、１０７Ｂはまだ接合一体化されておらず、すなわち互いに別体である。

次いで、絶縁基板１０５の下配線層１０４とベースプレート１０７とを積層状に配置するとともに、ベースプレート１０７におけるアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂとを積層状に配置し、更に、下配線層１０４とベースプレート１０７との間に両面アルミニウムブレージングシート１１１（又はろう材箔）を配置するとともに、アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂとの間に両面アルミニウムブレージングシート１１２（又はろう材箔）を配置する。そしてこの状態で、アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂとを積層状にろう付接合することでベースプレート１０７を形成するのと同時に下配線層１０４とベースプレート１０７（詳述するとベースプレート１０７のアルミニウム層１０７Ａ）とを積層状にろう付接合する。

具体的には、絶縁基板１０５の下配線層１０４と両面アルミニウムブレージングシート１１１とアルミニウム層１０７Ａと両面アルミニウムブレージングシート１１２と複合材層１０７Ｂとをこの順に積層する。そしてこの状態でこれらを所定のろう付け雰囲気中にて所定のろう付け温度に加熱する。これにより、下配線層１０４とアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂを一括してろう付接合する。その結果、図３に示した本第２実施形態の放熱装置１０１が製造される。

このように、ベースプレート１０７におけるアルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂとをろう付接合するのと同時に絶縁基板１０５の下配線層１０４とベースプレート１０７（具体的にはベースプレート１０７のアルミニウム層１０７Ａ）とをろう付接合することにより、放熱装置１０１の製造工程数を減らすことができ、そのため、ベースプレート１０７の製造コストを更に削減することができる。

以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示した上記第１実施形態の放熱装置１を次の方法で製造した。

上配線層２と絶縁層３と下配線層４とを備えた絶縁基板５を準備した。上配線層２は絶縁層３の上面に直接的にろう付接合されており、下配線層４は絶縁層３の下面に直接的にろう付接合されていた。上配線層２及び下配線層４はそれぞれ純度４Ｎ（即ち９９．９９質量％）のアルミニウム製であり、絶縁層３は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製であった。

上配線層２、絶縁層３及び下配線層４はそれぞれ平面視正方形状のものである。上配線層２及び下配線層４の一辺の長さはそれぞれ６０ｍｍであり、その厚さはそれぞれ０．６ｍｍであった。絶縁層３の一辺の長さは６４ｍｍであり、その厚さは０．６４ｍｍであった。

また、ベースプレート７を準備した。ベースプレート７は、アルミニウム層７Ａとアルミニウム−炭素粒子複合材層７Ｂとを備えるとともに、アルミニウム層７Ａと複合材層７Ｂは直接的に焼結接合されている。

ベースプレート７において、アルミニウム層７Ａ及び複合材層７Ｂはそれぞれ平面視正方形状のものである。アルミニウム層７Ａ及び複合材層７Ｂの一辺の長さはそれぞれ１００ｍｍであり、その厚さはそれぞれ２ｍｍであった。

アルミニウム層７Ａのアルミニウムの材質はＡ１１００であり、その純度は９９．３質量％であった。

複合材層７Ｂは、炭素粒子として炭素繊維を用いた塗工＋焼結法により製造されたものである。炭素繊維の平均繊維長（即ち炭素繊維の最長軸方向の平均長さ）は１５０μｍであった。また、複合材に対する炭素繊維の体積含有率は１４体積％であった。複合材層７Ｂ中の炭素繊維は複合材層７Ｂの平面方向に配向しており、複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋであった。

複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数の測定方法は次のとおりである。

複合材層７Ｂの平面方向の長さ１０ｍｍ及び断面が一辺５ｍｍの試験片を、複合材層７Ｂを形成する複合材から採取した。そして、この試験片について２５℃から３００℃の範囲における平均線膨張係数を測定し、この測定値を複合材層７Ｂの平面方向の線膨張係数とした。

次いで、絶縁基板５の下配線層４とベースプレート７（詳述するとベースプレート７のアルミニウム層７Ａ）とを、両者４、７の間に配置した厚さが０．５ｍｍの両面アルミニウムブレージングシート（ろう材層のクラッド率１０％）１１を用いて真空ろう付け法により積層状にろう付接合した。

その後、上配線層２の搭載面２ａの平面度を測定した。その結果、搭載面２ａの平面度は０．１２ｍｍであった。

搭載面２ａの平面度の測定方法は次のとおりである。

搭載面２ａを平行な平面で挟んだときにできる隙間の値を搭載面２ａの平面度（最大傾斜式平面度）として測定した。この測定での搭載面２ａの測定領域は□６０ｍｍ（即ち搭載面２ａの全体）であり、またこの測定はダイヤルゲージを用いた触針式の測定方法により行った。

＜実施例２＞
図３及び４に示した上記第２実施形態の放熱装置１０１を次の方法で製造した。

実施例１の絶縁基板５と同じ絶縁基板１０５を準備した。

また、ベースプレート１０７を準備した。ベースプレート１０７は、アルミニウム層１０７Ａとアルミニウム−炭素粒子複合材層１０７Ｂとを備えるとともに、アルミニウム層１０７Ａと複合材層１０７Ｂは接合一体化されておらず、即ち別体のものである。

ベースプレート１０７において、アルミニウム層１０７Ａ及び複合材層１０７Ｂはそれぞれ平面視正方形状のものである。アルミニウム層１０７Ａ及び複合材層１０７Ｂの一辺の長さはそれぞれ１００ｍｍであり、その厚さはそれぞれ２ｍｍであった。

アルミニウム層１０７Ａのアルミニウムの材質はＡ１１００であり、その純度は９９．３質量％であった。

複合材層１０７Ｂは、炭素粒子として炭素繊維を用いた塗工＋焼結法により製造されたものである。炭素繊維の平均繊維長（即ち炭素繊維の最長軸方向の平均長さ）は１５０μｍであった。また、複合材に対する炭素繊維の体積含有率は１６体積％であった。複合材層１０７Ｂ中の炭素繊維は複合材層１０７Ｂの平面方向に配向しており、複合材層１０７Ｂの平面方向の線膨張係数は９ｐｐｍ／Ｋであった。なお、複合材層１０７Ｂの平面方向の線膨張係数の測定方法は実施例１と同じである。

次いで、絶縁基板１０５の下配線層１０４と厚さが０．５ｍｍの両面アルミニウムブレージングシート（ろう材層のクラッド率１０％）１１１とアルミニウム層１０７Ａと厚さが０．５ｍｍの両面アルミニウムブレージングシート（ろう材層のクラッド率１０％）１１２と複合材層１０７Ｂとをこの順に積層し、そしてこの状態でこれらを真空ろう付け法により積層状に一括してろう付接合した。

その後、上配線層１０２の搭載面１０２ａの平面度を測定した。その結果、搭載面１０２ａの平面度は０．１３ｍｍであった。なお、搭載面１０２ａの平面度の測定方法は実施例１と同じである。

＜比較例＞
上配線層と絶縁層と下配線層とを備えた絶縁基板を準備した。上配線層は絶縁層の上面に直接的にろう付接合されており、下配線層は絶縁層の下面に直接的にろう付接合されていた。上配線層及び下配線層はそれぞれ銅製であり、絶縁層は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）製であった。

上配線層、絶縁層及び下配線層はそれぞれ平面視正方形状のものである。上配線層及び下配線層の一辺の長さはそれぞれ６０ｍｍであり、その厚さはそれぞれ０．６ｍｍであった。絶縁層の一辺の長さは６４ｍｍであり、その厚さは０．６４ｍｍであった。

また、ベースプレートを準備した。ベースプレートはその全体が銅製であり、平面視正方形状のものである。ベースプレートの一辺の長さは１００ｍｍであり、その厚さは３ｍｍであった。

次いで、絶縁基板の下配線層とベースプレートとを積層状にはんだ付により接合した。この際に用いたはんだ材はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のものであり、その厚さは２００μｍであった。

その後、上配線層の搭載面の平面度を測定した。その結果、搭載面の平面度は０．５ｍｍであった。なお、搭載面の平面度の測定方法は実施例１と同じである。

上述した実施例１、２及び比較例の結果から分かるように、実施例１の搭載面２ａの平面度と実施例２の搭載面１０２ａの平面度は、比較例の搭載面の平面度よりも小さかった。したがって、実施例１及び２の搭載面の反りは小さく、よってこれらの搭載面は発熱性素子とのはんだ付接合性が高いと考えられる。

本発明は、半導体素子等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置及びその製造方法に利用可能である。

１、１０１：放熱装置
２、１０２：上配線層
２ａ、１０２ａ：搭載面
３、１０３：絶縁層
４、１０４：下配線層
５、１０５：絶縁基板
６、１０６：ろう付接合層
７、１０７：ベースプレート
７Ａ、１０７Ａ：アルミニウム層
７Ｂ、１０７Ｂ：アルミニウム−炭素粒子複合材層
９、１０９：放熱部材
２１：発熱性素子

Claims (6)

1. セラミック製絶縁層と前記絶縁層の上面に接合されたアルミニウム製上配線層と前記絶縁層の下面に接合されたアルミニウム製下配線層とを備えた絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記下配線層の下側に配置されるベースプレートと、を具備し、
   前記上配線層はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、
   前記下配線層と前記ベースプレートが積層状にろう付接合され、
   前記ベースプレートは、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層と平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層とを備えるとともに、前記アルミニウム層と前記複合材層が積層状に接合されている放熱装置。
2. 前記ベースプレートの前記アルミニウム層のアルミニウムの純度が９９質量％以上である請求項１記載の放熱装置。
3. 前記ベースプレートにおいて前記複合材層が前記アルミニウム層の下側に配置されている請求項１又は２記載の放熱装置。
4. 前記ベースプレートの前記アルミニウム層の厚さをＡ、及び、前記ベースプレートの前記複合材層の厚さをＢとするとき、
   Ａ：Ｂが１：２〜２：１の範囲に設定されている請求項１〜３のいずれかに記載の放熱装置。
5. 前記ベースプレートの前記アルミニウム層の厚さをＡ、前記ベースプレートの前記複合材層の厚さをＢ、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値をｘ、及び、前記複合材層の平面方向の線膨張係数をｙ（その単位：ｐｐｍ／Ｋ）とするとき、
   ｘ及びｙが次式１〜３を全て満足している請求項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
   １／３≦ｘ≦２／３ … 式１
   ２≦ｙ … 式２
   ｙ≦−２１ｘ＋２１ … 式３
6. セラミック製絶縁層と前記絶縁層の上面に接合されたアルミニウム製上配線層と前記絶縁層の下面に接合されたアルミニウム製下配線層とを備えた絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記下配線層の下側に配置されるベースプレートと、を準備し、
   前記上配線層はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、
   前記ベースプレートは、厚さが３００μｍ以上のアルミニウム層と平面方向の線膨張係数が２〜１５ｐｐｍ／Ｋのアルミニウム−炭素粒子複合材層とを備えるとともに、前記アルミニウム層と前記複合材層は互いに別体であり、
   前記ベースプレートにおける前記アルミニウム層と前記複合材層とを積層状にろう付接合するのと同時に前記絶縁基板の前記下配線層と前記ベースプレートとを積層状にろう付接合する放熱装置の製造方法。

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