JP5526632B2 - 絶縁基板、絶縁回路基板、半導体装置、絶縁基板の製造方法及び絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子が搭載される絶縁基板、この絶縁基板に回路層を形成した絶縁回路基板、及び、この絶縁基板を用いた半導体装置、並びに、絶縁基板の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。

前述の絶縁基板としては、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス板や、金属板等の表面に絶縁被膜を形成した金属ベース基板が利用されている。

例えば、特許文献１には、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス板の一方の面にＡｌ又はＣｕからなる回路層を設けた絶縁回路基板上に、パワー素子（半導体素子）を搭載したパワーモジュール（半導体装置）が開示されている。
また、特許文献２には、セラミックスからなる絶縁基板の上に半導体素子を搭載し、この絶縁回路基板の下面側に冷却器を配設するとともに、半導体素子の上部にも、セラミックスからなる絶縁基板を介して冷却器を配設した、両面冷却構造の半導体装置が提案されている。

特許文献３には、Ａｌ、Ｆｅ，Ｃｕ等からなる金属板の上にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等からなる絶縁層を形成した絶縁基板（金属ベース基板）を用い、この絶縁層上に銅箔を配設して回路を形成し、この回路上に半導体素子を搭載した半導体装置が開示されている。
また、特許文献４には、Ａｌ、Ｃｕ等からなる金属板の上に、例えばガラスエポキシシートからなる絶縁層を形成した絶縁基板（金属ベース基板）を用い、この絶縁層上に配線板（回路層）を形成し、この配線板上にＬＥＤチップ（半導体素子）を搭載したＬＥＤパッケージ（半導体装置）が提案されている。

ここで、特許文献１，２に開示されたように、セラミックスからなる絶縁基板を用いた半導体装置では、絶縁基板の熱膨張係数が、Ｓｉ等で構成された半導体素子の熱膨張係数と近似しており、冷熱サイクル負荷時において半導体素子自体に熱応力が作用することが抑制されることになる。
また、特許文献３，４に開示されたように、金属板上に樹脂等の絶縁層を形成した絶縁基板においては、金属板の熱伝導率が高いため、放熱特性に優れる。

特開２００４−２８８８２８号公報 特開２００５−１２３２３３号公報 特開２００５−１４２３５６号公報 特開２００６−３３９２２４号公報

ところで、特許文献１，２に開示されたセラミックスからなる絶縁基板においては、熱伝導率が悪く、半導体素子から発生する熱を効率的に放散することができないといった問題があった。また、セラミックスは脆性材料であることから曲げ応力が負荷された際に亀裂が生じて破損するおそれがあった。
一方、特許文献３，４に開示されたように、金属板の表面に樹脂等の絶縁層が形成された絶縁基板においては、熱膨張係数が金属板に支配されることになり、Ｓｉ等で構成された半導体素子と熱膨張係数が大きく異なることになり、冷熱サイクル負荷時に半導体素子自体に大きな熱応力が作用して破損してしまうおそれがあった。
すなわち、セラミックスからなる絶縁基板では放熱性に問題があり、金属板に絶縁層を形成した絶縁基板では熱応力が問題となっていた。このため、従来は、半導体装置の用途に応じて、これら放熱特性や熱応力をいずれかを犠牲にして、前述の絶縁基板を選択して使用していた。

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、放熱特性に優れ、かつ、冷熱サイクル負荷時において半導体素子に熱応力が作用することを抑制することが可能な絶縁基板、この絶縁基板を用いた絶縁回路基板および半導体装置、並びに、絶縁基板の製造方法及び絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的としている。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の絶縁基板は、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と、この基板本体の一方の面に形成されたアルミナからなる絶縁被膜と、を備えた絶縁基板であって、前記基板本体の室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されており、前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の一方の面には、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層が形成されており、前記絶縁被膜は、前記金属スキン層の上に、アルミナ粉末を衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されており、前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の他方の面に、金属スキン層が形成されていることを特徴としている。

この構成の絶縁基板によれば、基板本体の熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下に設定されているので、熱膨張係数が半導体素子と近似することになり、冷熱サイクル負荷時において半導体素子に熱応力が作用することを抑制できる。また、基板本体の熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上に設定されているので、半導体素子から発生する熱を効率良く放散させることができる。さらに、基板本体の抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されているので、絶縁基板としての剛性が確保され、半導体装置を構成することが可能となる。

また、絶縁被膜が、絶縁性材料からなる粉末を衝突させることによって形成されていることから、絶縁被膜が緻密な構造となり、高い絶縁耐圧を得ることができる。なお、絶縁被膜の形成には、例えば絶縁性材料からなる粉末を高温で衝突させるプラズマ溶射法や、絶縁性材料からなる粉末をガスとともに常温で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成することが可能である。

ここで、前記絶縁被膜は、エアロゾルデポジション法によって形成されていることが好ましい。
エアロゾルデポジション法においては、サブミクロンオーダーの微細な粉末を高速で衝突させて絶縁被膜を形成することになる。このエアロゾルデポジション法では、衝突した粉末が破砕されて積層され、破砕によって形成された活性面によって粉末同士が強固に結合されるため、絶縁被膜が非常に緻密な構造となり、絶縁被膜を薄く形成したとしても高い絶縁耐圧を得ることができる。

また、前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の一方の面には、金属スキン層が形成されており、この金属スキン層の上に前記絶縁被膜が形成されていることが好ましい。
この場合、金属スキン層によって基板本体の一方の面が均一な面となることから、絶縁被膜を良好に形成することが可能となる。すなわち、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体においては、その表面に金属と金属以外の材料とが露呈されていることから、同一条件で粉末を衝突させて絶縁被膜を形成する場合に、金属部分と金属以外の部分とで絶縁被膜の形成状態が異なるおそれがあるので、金属スキン層を形成し、この金属スキン層上に粉末を衝突させることにより、より均一な絶縁被膜を形成することが可能となるのである。

前記絶縁基板は、前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の他方の面に、金属スキン層が形成されていてもよい。
この場合、例えば絶縁基板の他方の面側に、ＡｌやＣｕ等からなる冷却器を配設する際に、絶縁基板と冷却器とを、容易にかつ確実に接合することが可能となる。

本発明の絶縁回路基板は、前述の絶縁基板を有し、この絶縁基板の絶縁被膜の上に、導電性材料からなる回路層が形成されていることを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板においては、回路層上に半導体素子を搭載することにより、半導体素子を電気的に接続することが可能となり、高品質の半導体装置を構成することができる。また、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と回路層とが絶縁被膜によって絶縁されていることから、基板本体側と半導体素子とが短絡することを防止できる。

ここで、前記回路層が、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させることによって形成されていることが好ましい。
この場合、回路層が、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させることによって形成されていることから、緻密な回路層が形成されることになり、絶縁被膜上に回路層を良好に形成することができる。なお、金属粉末を絶縁被膜上に衝突させて回路層を形成する方法としては、例えば、金属粉末を高温で衝突させるプラズマ溶射法や、金属粉末をガスとともに常温で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成することが可能である。

前記回路層には、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ，Ａｇのいずれか一種を用いることができる。
ここで、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇは電気伝導性に優れており、また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇは、はんだ材との接合性に優れているため、半導体素子をはんだ材を用いて良好に接合することができる。このように、半導体装置の用途に応じて回路層を構成する材料を選択することが好ましい。あるいは、Ａｌを下地層、Ａｇを上層とした積層膜、または、Ａｌ又はＡｇの少なくとも一方を下地層、Ｃｕ又はＮｉの少なくとも一方を上層とした２層以上の積層膜としてもよい。

ここで、前記絶縁基板の他方の面側に、冷却器が配設されていることが好ましい。
この場合、絶縁回路基板を、絶縁基板の他方の面側に配設された冷却器によって冷却することができる。よって、絶縁回路基板上に搭載される半導体素子から発生する熱を効率的に放散することが可能となる。

本発明の半導体装置は、前述の絶縁基板を有し、この絶縁基板上に、半導体素子が搭載されていることを特徴としている。
この構成の半導体装置によれば、放熱特性が優れるとともに、その熱膨張係数が半導体素子に近似した絶縁基板を用いているので、半導体素子から発生する熱を効率的に放散可能であるとともに半導体素子の破損を抑制することができる。すなわち、高品質の半導体装置が提供されることになる。

本発明の絶縁基板の製造方法は、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と、この基板本体の一方の面に形成された絶縁被膜と、を備えた絶縁基板の製造方法であって、室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定された前記基板本体の一方の面に、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層を形成する金属スキン層形成工程と、前記金属スキン層の上に、アルミナからなる粉末を衝突させるエアロゾルデポジション法によって前記絶縁被膜を形成する絶縁被膜形成工程と、
を有することを特徴としている。

この構成の絶縁基板の製造方法によれば、熱の伝導が良く、かつ、熱膨張係数が低く半導体素子を構成するＳｉに近似した絶縁基板を製造することができる。さらに、絶縁被膜形成工程が、絶縁性材料からなる粉末を衝突させる構成とされていることから、緻密な絶縁被膜を形成することが可能となり、高い絶縁耐圧を得ることができる。

前記絶縁被膜形成工程は、エアロゾルデポジション法によって前記絶縁被膜を形成することが好ましい。
この場合、絶縁被膜が非常に緻密な構造となり、絶縁被膜を薄く形成したとしても高い絶縁耐圧を得ることができる。また、常温の条件下において絶縁被膜を形成することが可能となり、この絶縁基板の製造コストを低減することができる。

前記基板本体の一方の面及び他方の面の少なくとも一方に、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層を形成する金属スキン層形成工程を備えていることが好ましい。
この場合、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の表面に、任意の金属からなる金属スキン層を形成することが可能となる。すなわち、アルミニウム−グラファイト複合材料に含有された金属以外の金属からなる金属スキン層を形成することができるのである。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体及びこの基板本体の一方の面に形成された絶縁被膜を有する絶縁基板と、この絶縁基板上に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前述の絶縁基板の絶縁被膜の上に、導電性材料からなる回路層を形成する回路層形成工程を備えていることを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、絶縁被膜上に回路層を形成しているので、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と回路層とが絶縁被膜によって絶縁され、基板本体と回路層とが短絡することが防止されることになる。なお、この回路層形成工程は、例えば、金属板のろう付け、めっき、真空蒸着、導電性ペーストの塗布等の各種手段を採用することが可能である。

前記回路層形成工程は、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させることによって形成することが好ましい。
この場合、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させる方法、例えば、金属粉末を高温で衝突させるプラズマ溶射法や、金属粉末をガスとともに常温で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成するので、緻密な回路層を確実に形成することができる。

本発明によれば、放熱特性に優れ、かつ、冷熱サイクル負荷時において半導体素子に熱応力が作用することを抑制することが可能な絶縁基板、この絶縁基板を用いた絶縁回路基板および半導体装置、並びに、絶縁基板の製造方法及び絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である絶縁基板を用いたパワーモジュール（半導体装置）の概略説明図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁基板を示す説明図である。 図１に示すパワーモジュール（半導体装置）の製造方法のフロー図である。 図２に示す絶縁基板の基板本体の製造方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁基板を用いた半導体装置の概略説明図である。 図５に示すパワーモジュール（半導体装置）の製造方法のフロー図である。 図５に示す絶縁基板の基板本体の製造方法の説明図である。 本発明の他の実施形態である絶縁基板を用いた半導体装置の概略説明図である。

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。
まず、図１から図４を参照して本発明の第１の実施形態である絶縁基板を用いたパワーモジュール（半導体装置）について説明する。
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０の一方の面側（図１において上側）に形成された回路層２１と、回路層２１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、絶縁基板１０の他方の面側（図１において下側）に配設された冷却器３０とを備えている。

絶縁基板１０は、図２に示すように、金属基複合材料で構成された基板本体１１と、この基板本体１１の一方の面側に形成された絶縁被膜１５と、を備えている。
本実施形態では、基板本体１１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。より具体的には、基板本体１１は、炭素質部材中に、純度９９．０％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−グラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の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−グラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。

なお、前記炭素質部材は、結晶質の黒鉛部材であり、以下の特性を有するものである。
（１）黒鉛の（００２）面の面間隔が０．３３６ｍｍ以下
（２）六角網面整合性が２．９以上
（３）炭素質部の純度（炭素含有量）が９９．９質量％以上で、かつ、Ｎａの含有量が０．０２質量％以下
（４）熱伝導率が２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上

ここで、（２）の六角網面整合性は、以下のようにして求められる。
Ｘ線回折により求められる炭素質部の（１０１）面、（１０２）面、（１０３）面および（１１２）面における回折ピークでのピーク面積の合計をＳ１、回折角２θが３０〜４０度の間のバックグランドの強度積算値をＳ２とするとき、六角網面整合性＝Ｓ１／Ｓ２と定義する。ただし、入射角θは２０〜１００°の範囲とする。

本実施形態では、各回折ピークの面積は米国ＭＤＩ社製Ｘ線回折データ処理ソフトＪＡＤＥ６を使用し、以下の条件でピークサーチを実行して算出した。
＜ピークサーチ条件＞
フィルタータイプ：放物線
データ点：１９
ピーク位置定義：ピークトップ
しきい値σ：１．０
ピーク強度％カットオフ：０．３
ＢＧ決定の範囲：１．０
ＢＧ平均化のポイント数：７
バックグランド強度積算値Ｓ２は、２θが３０〜４０度の間をバックグランドとして、その範囲の全測定点（５００点）の強度を合計して求めた。

また、（００２）面間隔は、以下に示す測定条件で測定した回折データを、ＮＢＳ製シリコン標準資料を用いて回折角を補正し、上記Ｘ線回折データ処理ソフトＪＡＤＥ６を使用して算出した。ピークサーチ条件は、上述のとおりである。結晶系は六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）、格子定数初期値はａ＝２．４７０４、ｃ＝６．７２４４とし、（００２）、（１００）、（１０１）、（１０２）、（００４）、（１０３）、（１１０）、（１１２）、（００６）、（２０１）の１０本のピークを計算に含めた。強度重み付けに√（Ｉ％）を使用した。なお、角度重み付けは使用しなかった。

Ｘ線回折測定には、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製（旧ＭａｃＳｃｉｅｎｃｅ社製）全自動Ｘ線回折装置ＭＸＰ１８ＶＡＨＦを使用した。測定条件は以下のとおりである。
使用Ｘ線：ＣｕＫα線
管電圧、管電流：４０ｋＶ、３５０ｍＡ
光学系：集中法
走査方法：ステップスキャン
２θ走査範囲：２０〜１００度
２θステップ：０．０２度
１ステップの積算時間：１秒
発散スリット：０．５度
散乱スリット：０．５度
受光スリット：０．１５ｍｍ
カウンタグラファイトモノクロメータ使用
なお、測定試料は、グラファイトの押出方向に垂直な結晶面を測定するようにセットした。

ここで、基板本体１１の室温から２００℃までの熱膨張係数は１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率は１９０ Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度は３０ＭＰａ以上に設定されている。
また、基板本体１１の一方の面及び他方の面には、アルミニウムからなる金属スキン層１２，１３がそれぞれ形成されている。本実施形態では、金属スキン層１２、１３は、炭素質部材中に充填された純アルミニウムと同じ材質で構成されている。
なお、基板本体１１の厚さｔｂは１ｍｍ≦ｔｂ≦６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｂ＝３ｍｍとされている。また、金属スキン層１２，１３の厚さｔｓは、０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、金属スキン層１２，１３が同一の厚さとされ、ｔｓ＝０．２５ｍｍとされている。

絶縁被膜１５は、基板本体１１の一方の面側に形成された金属スキン層１２上に、絶縁性材料からなる粉末を衝突させることによって形成されている。本実施形態では、粒径がサブミクロンオーダーのアルミナ粉末をガスと混合させてエアロゾル状とし、これをノズルを介して高速で衝突させる、いわゆるエアロゾルデポジション法によって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁被膜１５を形成している。ここで、エアロゾルデポジション法では、衝突したアルミナ粉末が破砕された状態で積層され、破砕によって形成された活性面によってアルミナ粉末同士が強固に結合されることにより、非常に緻密な構造の絶縁被膜１５が形成されることになる。
なお、絶縁被膜１５の厚さｔｉは、５μｍ≦ｔｉ≦５０μｍに設定されており、本実施形態ではｔｉ＝１０μｍに設定されている。

回路層２１は、絶縁基板１０の絶縁被膜１５の表面に、導電性材料が積層されることによって形成されている。本実施形態では、回路層２１は、アルミニウム粉末をその融点以下の温度で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されている。なお、回路層２１の厚さは０．０１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されており、本実施形態では、０．１ｍｍに設定されている。
このように、絶縁基板１０上に回路層２１が形成されることにより、本実施形態である絶縁回路基板２０が構成されることになる。

冷却器３０は、前述の絶縁回路基板２０を冷却するためのものであり、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３１が複数設けられた多穴管構造をなしている。冷却器３０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。

半導体チップ３は、Ｓｉで構成されており、この半導体チップ３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層２を介して回路層２１上に接合されている。なお、本実施形態では、回路層２１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。

次に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
まず、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体１１を形成する（基板本体形成工程Ｓ１）。なお、この基板本体形成工程では、図４に示すように、気孔率１０〜３０体積％の結晶質の黒鉛部材からなる黒鉛板４１を準備し、この黒鉛板４１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４２，４２を配設し、この挟持板４２，４２と黒鉛板４１とを、ステンレス製の押圧板４３，４３によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．０％以上の溶融アルミニウムを黒鉛板４１に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム−グラファイト複合材料を得る。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板４１の表面に滲み出してアルミニウム層４４が形成される。このアルミニウム層４４に切削加工を施して厚さを調整し、金属スキン層１２、１３とすることにより、前述の基板本体１１が製造される。

次に、この基板本体１１の一方の面側に絶縁被膜１５を形成する（絶縁被膜形成工程Ｓ２）。ここで、本実施形態では、基板本体１１の一方の面側に金属スキン層１２が形成されていることから、この金属スキン層１２上に絶縁被膜１５を形成することになる。
この絶縁被膜形成工程Ｓ２においては、粒径が０．１μｍ以上１μｍ以下とされたアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末をガスと混合させてエアロゾル状とし、ノズルを介して高速で衝突させるエアロゾルデポジション法によって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁被膜１５を形成している。なお、この絶縁被膜形成工程Ｓ２におけるエアロゾルデポジション法の被膜形成条件は、大気圧雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎ の酸素ガスをキャリアガスとして用いることとした。
このように基板本体１１の一方の面側に絶縁被膜１５を形成することにより、本実施形態である絶縁基板１０が製造されることになる。

次に、この絶縁基板１０の一方の面に回路層２１を形成する（回路層形成工程Ｓ３）。
この回路層形成工程Ｓ３においては、粒径１μｍ以上１０μｍ以下のアルミニウム粉末を、その融点以下の温度で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成している。なお、この回路層形成工程Ｓ３におけるエアロゾルデポジション法の被膜形成条件は、大気圧雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎ の酸素ガスをキャリアガスとして用いることとした。

次に、絶縁基板１０の他方の面側に、冷却器３０を接合する（冷却器接合工程Ｓ４）。なお、本実施形態では、絶縁基板１０の他方の面側に金属スキン層１３が形成されていることから、この金属スキン層１３と冷却器３０とが接合されることになる。なお、冷却器３０は、ろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。
このようにして、本実施形態である絶縁回路基板２０が形成される。

そして、回路層２１の表面にＮｉめっきを形成するとともに、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ５）。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が回路層２１上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。

このような構成とされた本実施形態である絶縁基板１０、絶縁回路基板２０及びパワーモジュール１によれば、絶縁基板１０がアルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体１１を有し、この基板本体１１の室温から２０℃までの熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下に設定されており、半導体チップ３の熱膨張係数に近似することから、このパワーモジュール１に冷熱サイクルが負荷された際に、半導体チップ３に熱応力が作用することを抑制でき、半導体チップ３の破損を防止することが可能となる。
また、基板本体１１の熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上に設定されているので、絶縁基板１０の一方の面側に搭載された半導体チップ３から発生する熱を、絶縁基板１０の他方の面側に配設された冷却器３０へと効率的に放散することが可能となる。
さらに、基板本体１１の抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されているので、絶縁基板１０としての剛性が確保され、パワーモジュール１を構成することが可能となる。

また、絶縁被膜１５が、粒径がサブミクロンオーダーのアルミナ粉末をガスと混合させてエアロゾル状としてノズルを介して高速で衝突させる、いわゆるエアロゾルデポジション法によって形成され、非常に緻密な構造とされているので、絶縁被膜１５の厚さｔｉが、５μｍ≦ｔｉ≦５０μｍに、より具体的にはｔｉ＝１０μｍに設定されていても、高い絶縁耐圧を得ることができる。よって、この絶縁基板１０を用いることによって、高信頼性のパワーモジュール１を提供することができる。

また、基板本体１１の一方の面側にアルミニウムからなる金属スキン層１２が形成されており、この金属スキン層１２の上に絶縁被膜１５が形成されていることから、アルミニウムが露呈された比較的均一な面の上にアルミナ粉末を衝突させて積層させることになり、均一な絶縁被膜１５を形成することができる。
さらに、前述のようにエアロゾルデポジション法によって絶縁被膜１５を形成しているので、常温の条件下において絶縁被膜１５を形成することが可能となり、この絶縁基板１０の製造コストを低減することができる。

さらに、絶縁基板１０の一方の面側、すなわち絶縁被膜１５の表面に導電性材料であるアルミニウムからなる回路層２１が形成されることによって絶縁回路基板２０が構成されている。この絶縁回路基板２０においては、絶縁被膜１５によってアルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体１１と回路層２１との絶縁が図られており、信頼性の高いパワーモジュール１を構成することができる。
また、この回路層２１が、アルミニウム粉末をその融点以下の温度で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されているので、絶縁被膜１５上にアルミニウムからなる回路層２１を良好に形成することができる。しかも、エアロゾルデポジション法は、粉末の融点以下で、かつ、大気圧下で行うことが可能であるため、この絶縁回路基板２０の製造コストの削減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、基板本体１１の他方の面側にもアルミニウムからなる金属スキン層１３が形成されているので、この金属スキン層１３を介して冷却器３０を良好に接合することが可能となる。すなわち、金属スキン層１３がアルミニウムで構成され、冷却器３０がアルミニウム合金で構成されていることから、Ａｌ−Ｓｉ系等の一般的なろう材を用いて容易に、絶縁基板１０と冷却器３０とを接合することができるのである。

また、本実施形態においては、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体１１を形成する際に、黒鉛板４１にアルミニウムを含浸させて冷却凝固させるとともに、溶融アルミニウムの一部が黒鉛板４１の表面に滲み出して形成されたアルミニウム層４４を切削加工することで、金属スキン層１２，１３を形成しているので、金属スキン層１２，１３を有する基板本体１１を比較的容易に作製することができる。

次に、参考実施形態である絶縁基板及びこの絶縁基板を用いた半導体装置について説明する。
この半導体装置１０１は、図５に示すように、半導体チップ１０３と、この半導体チップ１０３の下面側に配設された第１絶縁基板１１０Ａを備えた絶縁回路基板１２０と、この絶縁回路基板１２０の下方側に配設された第１冷却器１３０Ａと、半導体チップ１０３の上面側に配設された第２絶縁基板１１０Ｂと、この第２絶縁基板１１０Ｂの上方側に配設された第２冷却器１３０Ｂと、を備えた両面冷却式の半導体装置１０１である。

第１絶縁基板１１０Ａ及び第２絶縁基板１１０Ｂは、金属基複合材料で構成された基板本体１１１Ａ、１１１Ｂと、この基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面側（図５において、第１絶縁基板１１０Ａについては上面側、第２絶縁基板１１０Ｂについては下面側）に形成された絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂと、を備えている。
本実施形態では、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂは、ＳｉＣからなる母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ＡｌＳｉＣ複合材料で構成されている。

ここで、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの室温から２０℃までの熱膨張係数は１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度は３０ＭＰａ以上に設定されている。
また、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面側及び他方の面側には、銅からなる金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂがそれぞれ形成されている。すなわち、本実施形態では、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂを構成する金属基複合材料（ＡｌＳｉＣ複合材料）中に含浸された金属（アルミニウム）と金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂを構成する金属（銅）とが異なっているのである。

絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂは、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面側に形成された金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ上に、絶縁性材料からなる粉末を衝突させることによって形成されている。本実施形態では、粒径がサブミクロンオーダーのアルミナ粉末をガスと混合させてエアロゾル状としてノズルを介して高速で衝突させる、いわゆるエアロゾルデポジション法によって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁被膜を形成している。

また、第１絶縁基板１１０Ａの絶縁被膜１１５Ａの表面に、導電性材料が積層されることによって回路層１２１が形成され、絶縁回路基板１２０が構成されることになる。
本実施形態では、回路層１２１は、Ａｇペーストを塗布及び焼結することによって形成されている。

第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂは、半導体チップ１０３を冷却するためのものであり、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの他方の面側に形成された金属スキン層１１３Ａ、１１３Ｂと接合される天板部１３２Ａ、１３２Ｂと、この天板部１３２Ａ、１３２Ｂから垂設された放熱フィン１３３Ａ、１３３Ｂと、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１３１Ａ、１３１Ｂとを備えている。第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂ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、Ｃｕ合金で構成されている。

半導体チップ１０３は、Ｓｉで構成されており、この半導体チップ１０３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層１０２Ａを介して、絶縁回路基板１２０の回路層１２１上に搭載されている。さらに、半導体チップ１０３の上面側には、第２絶縁基板１１０Ｂが、はんだ層１０２Ｂを介して接合されている。

次に、本実施形態である半導体装置の製造方法について、図６及び図７を参照して説明する。
まず、金属基複合材料を形成する（金属基複合材料形成工程Ｓ１０）。本実施形態では、ＳｉＣからなる母材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填させ、ＡｌＳｉＣ複合材料を形成する。

次に、図７に示すように、ＡｌＳｉＣ複合材料の板材の両面に、粒径１μｍ以上１０μｍ以下の銅粉末を、その融点以下の温度でノズル１４６を介して衝突させ、いわゆるエアロゾルデポジション法によって、金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂを形成する（金属スキン層形成工程Ｓ１１）。なお、この金属スキン層形成工程Ｓ１１におけるエアロゾルデポジション法の被膜形成条件は、大気圧雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎ の酸素ガスをキャリアガスとして用いることとした。こうして基板本体１１１Ａ、１１１Ｂが形成されることになる。

次に、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面側に絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂを形成する（絶縁被膜形成工程Ｓ１２）。ここで、本実施形態では、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面側に金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂが形成されていることから、この金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ上に絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂを形成することになる。
この絶縁被膜形成工程Ｓ１２においては、粒径がサブミクロンオーダーのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末をガスと混合させてエアロゾル状とし、ノズルを介して高速で衝突させるエアロゾルデポジション法によって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁被膜を形成している。なお、この絶縁被膜形成工程Ｓ１２におけるエアロゾルデポジション法の被膜形成条件は、大気圧雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎ の酸素ガスをキャリアガスとして用いることとした。 このように基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面に絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂを形成することにより、第１絶縁基板１１０Ａ及び第２絶縁基板１１０Ｂが製造されることになる。

次に、第１絶縁基板１１０Ａの絶縁被膜１１５Ａの表面に回路層１２１を形成する（回路層形成工程Ｓ１３）。この回路層形成工程Ｓ１３においては、Ａｇペーストを塗布し、焼成することにより、Ａｇからなる回路層１２１を形成することになる。
また、第１絶縁基板１１０Ａの他方の面側に、第１冷却器１３０Ａを接合する（第１冷却器接合工程Ｓ１４Ａ）。なお、本実施形態では、第１絶縁基板１１０Ａの他方の面側に金属スキン層１１３Ａが形成されていることから、この金属スキン層１１３Ａと第１冷却器１３０Ａとが接合されることになる。なお、第１冷却器１３０Ａは、ろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。
このようにして、本実施形態である絶縁回路基板１２０が形成される。

さらに、第２絶縁基板１１０Ｂの他方の面側に、第２冷却器１３０Ｂを接合する（第２冷却器接合工程Ｓ１４Ｂ）。なお、本実施形態では、第２絶縁基板１１０Ｂの他方の面側に金属スキン層１１３Ｂが形成されていることから、この金属スキン層１１３Ｂと第２冷却器１３０Ｂとが接合されることになる。なお、第２冷却器１３０Ｂは、ろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。

そして、第１絶縁基板１１０Ａを用いた絶縁回路基板１２０上にはんだ材を介して半導体チップ１０３を載置するとともに、半導体チップ１０３の上面側に第２絶縁基板１１０Ｂをはんだ材を介して配設し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
これにより、半導体チップ１０３の上面側及び下面側に、第１絶縁基板１１０Ａ及び第２絶縁基板１１０Ｂを介して第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂが配設された両面冷却式の半導体装置１０１が製造される。

このような構成とされた本実施形態である絶縁基板１１０Ａ、１１０Ｂ、絶縁回路基板１２０及び半導体装置１０１によれば、第一の実施形態と同様に、冷熱サイクル負荷時に半導体チップ１０３に熱応力が作用することを防止でき、かつ、半導体チップ１０３から発生する熱を第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂ側へと効率良く放散することができる。
また、エアロゾルデポジション法によって絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂが形成されており、絶縁被膜１１５Ａ、１１５Ｂが非常に緻密な構造とされているので、高い絶縁耐圧を得ることができ、半導体チップ１０３と第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂとの短絡を確実に防止することができる。

そして、本実施形態では、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの一方の面及び他方の面に、エアロゾルデポジション法によって金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂを形成しており、金属基複合材料（ＡｌＳｉＣ）中に含浸された金属（アルミニウム）と金属スキン層１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂを構成する金属（銅）とが異なる構成とされた基板本体１１１Ａ、１１１Ｂを製出することができる。
本実施形態では、基板本体１１１Ａ、１１１Ｂの他方の面側の金属スキン層１１３Ａ、１１３Ｂが銅で構成され、第１冷却器１３０Ａ及び第２冷却器１３０Ｂが銅合金で構成されていることから、第１絶縁基板１１０Ａと第１冷却器１３０Ａ、第２絶縁基板１１０Ｂと第２冷却器１３０Ｂ、をそれぞれ良好に接合することが可能となる。

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、基板本体が金属スキン層を備えたものとして説明したが、これに限定されることはなく、図８に示すように、金属スキン層を形成していないものであってもよい。また、金属スキン層が一方の面あるいは他方の面にのみ形成されていてもよい。さらに、金属スキン層の厚さが一方の面と他方の面とで異なっていてもよい。
また、冷却器を備えた絶縁回路基板及び半導体装置として説明したが、図８に示すように、冷却器を備えていなくてもよい。

また、絶縁被膜をアルミナで構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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ムライト、ＳｉＯ_２等の他の絶縁性材料で構成されていてもよい。
さらに、絶縁被膜をエアロゾルデポジション法によっ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、絶縁性材料からなる粉末を高温で衝突させるプラズマ溶射法等によって絶縁被膜を形成してもよい。

また、回路層を、アルミニウム又はＡｇからなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ，Ｎｉ等の他の導電性材料で構成されていてもよい。
さらに、回路層をエアロゾルデポジション法やＡｇペーストの塗布・焼成によって形成するものとして説明したが、回路層の形成方法に限定はなく、プラズマ溶射法によって形成してもよいし、金属板を接合してもよい。あるいは、めっきによって形成してもよい。

冷却器をろう付けによって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、接着剤やはんだ材を用いて接合してもよい。
また、冷却器の材質や構造については、実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

また、パワーモジュールや両面冷却式の半導体装置を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、半導体素子としてＬＥＤ素子を配設したＬＥＤ半導体装置であってもよい。
さらに、基板本体、金属スキン層、回路層の厚さ等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

１ パワーモジュール（半導体装置）
２ はんだ層
３ 半導体チップ（半導体素子）
１０ 絶縁基板
１１ 基板本体
１２、１３ 金属スキン層
１５ 絶縁被膜
２０ 絶縁回路基板
２１ 回路層
３０ 冷却器
１０１ 半導体装置
１０２ はんだ層
１０３ 半導体チップ（半導体素子）
１１０Ａ 第１絶縁基板（絶縁基板）
１１０Ｂ 第２絶縁基板（絶縁基板）
１１１Ａ、１１１Ｂ 基板本体
１１２Ａ、１１２Ｂ、１１３Ａ、１１３Ｂ 金属スキン層
１２０ 絶縁回路基板
１２１ 回路層
１３０Ａ 第１冷却器（冷却器）
１３０Ｂ 第２冷却器（冷却器）

Claims (10)

1. アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と、この基板本体の一方の面に形成されたアルミナからなる絶縁被膜と、を備えた絶縁基板であって、
   前記基板本体の室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されており、
   前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の一方の面には、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層が形成されており、
   前記絶縁被膜は、前記金属スキン層の上に、アルミナ粉末を衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されており、
   前記アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体の他方の面に、金属スキン層が形成されていることを特徴とする絶縁基板。
2. 請求項１に記載の絶縁基板を有し、
   この絶縁基板の絶縁被膜の上に、導電性材料からなる回路層が形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
3. 前記回路層が、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させることによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の絶縁回路基板。
4. 前記回路層は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種で構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の絶縁回路基板。
5. 前記回路層は、Ａｌを下地層、Ａｇを上層とした積層膜、または、Ａｌ又はＡｇの少なくとも一方を下地層、Ｃｕ又はＮｉの少なくとも一方を上層とした２層以上の積層膜で構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の絶縁回路基板。
6. 前記絶縁基板の他方の面側に、冷却器が配設されていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
7. 請求項１に記載の絶縁基板を有し、
   この絶縁基板上に、半導体素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置。
8. アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体と、この基板本体の一方の面に形成された絶縁被膜と、を備えた絶縁基板の製造方法であって、
   室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０^−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定された前記基板本体の一方の面に、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層を形成する金属スキン層形成工程と、
   前記金属スキン層の上に、アルミナからなる粉末を衝突させるエアロゾルデポジション法によって前記絶縁被膜を形成する絶縁被膜形成工程と、
   を有することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
9. アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体およびこの基板本体の一方の面に形成された絶縁被膜を有する絶縁基板と、この絶縁基板上に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
   請求項１に記載の絶縁基板の絶縁被膜の上に、導電性材料からなる回路層を形成する回路層形成工程を備えていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
10. 前記回路層形成工程は、金属粉末を前記絶縁被膜上に衝突させることによって形成することを特徴とする請求項９に記載の絶縁回路基板の製造方法。

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