(57)【要約】【課題】電気回路基板の放熱性、低熱応力性を向上する。【解決手段】電気回路基板１０は、第一主面１Ａと第二主面１Ｂとを有する絶縁基板１と、金属部材２と、熱伝導部材ｇ１とを備える。第一主面に接合した金属部材は、第一主面に平行な方向に沿って間隙ａ１を介して隔てられた第一金属部材２Ａと第二金属部材２Ｂとを含む。第二主面に接合した金属部材は、第一金属部材に対する反対側の位置に配置された第三金属部材２Ｄと、第二金属部材に対する反対側の位置に配置された第四金属部材２Ｅとを含む。第三金属部材及び第四金属部材は、間隙に対する反対側の位置に配置された熱伝導部材に接合する。熱伝導部材（グラファイト等）は、少なくとも前記第三金属部材と第四金属部材とを隔てる方向（Ｘ）について、熱伝導率が金属部材より大きく、熱膨張率が金属部材よりも小さい特性を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主面と当該第一主面の反対側の第二主面とを有する絶縁基板と、前記第一主面に接合された金属部材と、前記第二主面に接合された金属部材と、熱伝導部材とを備え、
前記第一主面に接合した前記金属部材は、前記第一主面に平行な方向に沿って間隙を介して隔てられた第一金属部材と第二金属部材とを含み、
前記第二主面に接合した前記金属部材は、前記第一金属部材に対する反対側の位置に配置された第三金属部材と、前記第二金属部材に対する反対側の位置に配置された第四金属部材とを含み、
前記第三金属部材及び前記第四金属部材は、前記間隙に対する反対側の位置に配置された前記熱伝導部材に接合し、
前記熱伝導部材は、少なくとも前記第三金属部材と前記第四金属部材とを隔てる方向について、熱伝導率が前記金属部材より大きく、熱膨張率が前記金属部材よりも小さい特性を有する電気回路基板。
【請求項２】
前記熱伝導部材の前記第二主面に対向する面が、前記第二主面に接合されている請求項１に記載の電気回路基板。
【請求項３】
前記第一主面を垂直視して、前記間隙が前記第一金属部材と前記第二金属部材とを隔てる方向に垂直な方向の当該間隙の終端が、前記第一金属部材と前記第二金属部材との分離のまま終了しており、当該間隙の終端に近い前記熱伝導部材の終端が、当該間隙内の範囲に後退配置されている請求項１又は請求項２に記載の電気回路基板。
【請求項４】
前記第一金属部材及び前記第二金属部材が前記終端においてコーナー円弧部を形成しており、前記第一主面を垂直視して、前記熱伝導部材の終端が、当該コーナー円弧部よりも前記間隙内奥の範囲に後退配置されている請求項３に記載の電気回路基板。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、グラファイト又はグラファイトを成分とする複合材料からなる請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の電気回路基板。
【請求項６】
前記熱伝導部材は、高熱伝導方向である面方向を前記第二主面に平行な方向に、低熱伝導方向である積層方向を前記第二主面に垂直な方向にして配置された請求項５に記載の電気回路基板。
【請求項７】
前記絶縁基板と前記金属部材との接合、前記熱伝導部材と前記金属部材との接合は、ろう材を介した接合である請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の電気回路基板。
【請求項８】
前記絶縁基板と前記金属部材との接合、前記熱伝導部材と前記金属部材との接合、前記熱伝導部材と前記絶縁基板との接合は、ろう材を介した接合である請求項２に記載の電気回路基板。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載の電気回路基板と、
前記第一金属部材に実装された電子部品と、を備えるパワーモジュール。
【請求項１０】
前記電子部品、及び前記電子部品が実装された前記金属部材を封止する封止樹脂を備える請求項９に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記第二主面に接合した前記金属部材に実装された放熱用部品を、前記絶縁基板を介して前記電子部品の反対面に備える請求項９又は請求項１０に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、配線材としての金属板が絶縁基板に接合された電気回路基板及びこれを用いたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパワーモジュール等の電子装置に用いられる電気回路基板として、例えば、セラミック焼結体等からなる絶縁基板の上面に銅等の金属材料からなる金属部材（金属板）が接合された電気回路基板が用いられている。
特許文献１に記載されるように、絶縁基板と金属部材との接合は、金属部材をろう材を介して絶縁基板に積層し、ろう付けすることで行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７９７０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、パワーモジュールは電気自動車等の開発を背景に小型、高出力化が要求されており、それに伴いパワーモジュール用の電気回路基板における導体厚の増大化が進んでいる。
電子部品が実装される金属板の厚肉化によって、金属板の熱膨張による熱応力の影響が大きくなる。
今後、パワーモジュールはますます小型、高出力化が求められるに伴い、金属板の厚肉化が進むとともに動作温度が上昇し熱的環境変化が激しくなる。
【０００５】
パワーモジュールとして図１７(a)(b)に示すように、絶縁基板１の第一主面１Ａにろう材３を介して金属部材２（２Ａ，２Ｂ）が接合され、第一主面１Ａの反対面である絶縁基板１の第二主面１Ｂにろう材３を介して金属部材２（２Ｃ）が接合された電気回路基板を含む構造を考える。第一主面１Ａ上には、発熱部となる電子部品４０が搭載される金属部材２Ａ、他の金属部材２Ｂを含め回路パターンが形成される。第一主面１Ａ上において、第一主面１Ａに平行な方向に沿って金属部材２Ａと金属部材２Ｂとが間隙ａ１を介して隔てられている。
一方、第二主面１Ｂ上には、金属部材２Ｃが設けられている。金属部材２Ｃは、第一主面１Ａ側の金属部材２Ａ、間隙ａ１、金属部材２Ｂに対する反対側の範囲に連続して設けられている。金属部材２Ｃを介して放熱用部品を接続するために、このように金属部材２Ｃは大面積に設けられる。
このような構造にあっては、電子部品４０で発生した熱が、金属部材２Ａ、ろう材３、絶縁基板１、ろう材３を介して金属部材２Ｃの全体に広がって伝搬しやすく、放熱用部品への熱伝導性を高めてパワーモジュールの放熱性を向上することができる。
【０００６】
しかし、絶縁基板１と金属部材２と熱膨張率の相違に基づき熱応力が発生する。熱応力は、まず金属部材２のろう付けの後の残留応力として発生し、またその後のパワーモジュールの動作により発生する。第一主面１Ａ側に間隙ａ１があり、間隙ａ１に対応した第二主面１Ｂ側は金属部材２Ｃが連続しているという不均衡に基づき、絶縁基板１の表裏で熱応力が異なるから、絶縁基板１に反りを発生させたり、図１７(b)に示すように間隙ａ１内のろう材３の縁位置にクラックａ２を発生させたりするという不具合が生じることがある。
【０００７】
以上のような熱応力を低減するために、図１７(c)に示すように絶縁基板１の表裏で金属部材２を同一パターンとすることが考えられる。
しかしこの場合、図１７(c)に示すように発熱部である電子部品４０が搭載された金属部材２Ａの裏の金属部材２Ｄのみが主な熱伝導部となって熱伝導範囲が小面積化してしまい、放熱性が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の１つの態様の電気回路基板は、第一主面と当該第一主面の反対側の第二主面とを有する絶縁基板と、前記第一主面に接合された金属部材と、前記第二主面に接合された金属部材と、熱伝導部材とを備え、
前記第一主面に接合した前記金属部材は、前記第一主面に平行な方向に沿って間隙を介して隔てられた第一金属部材と第二金属部材とを含み、
前記第二主面に接合した前記金属部材は、前記第一金属部材に対する反対側の位置に配置された第三金属部材と、前記第二金属部材に対する反対側の位置に配置された第四金属部材とを含み、
前記第三金属部材及び前記第四金属部材は、前記間隙に対する反対側の位置に配置された前記熱伝導部材に接合し、
前記熱伝導部材は、少なくとも前記第三金属部材と前記第四金属部材とを隔てる方向について、熱伝導率が前記金属部材より大きく、熱膨張率が前記金属部材よりも小さい特性を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の電気回路基板によれば、熱伝導部材の熱伝導率が金属部材より大きい特性により、第三金属部材と第四金属部材との間の熱伝導が良好となり放熱性が向上する。また、熱伝導部材の熱膨張率が金属部材より小さい特性により、熱応力が低減する。したがって、放熱性良好で、低熱応力性の電気回路基板、これを用いたパワーモジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】(a)は本発明の一実施形態に係る電気回路基板及び電子部品を示す断面図である。(b)は熱伝導部材であるグラファイトの配向を示す斜視図である。
【図２】本発明の他の一実施形態に係る電気回路基板及び電子部品を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電気回路基板の平面図である。
【図４】本発明の他の配線パターンの実施形態に係る電気回路基板の平面図である。ろう材の図示を省略する。
【図５】比較例と本発明例に係る熱分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】比較例と本発明例に係る応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明例に係る熱分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明例に係る応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】熱シミュレーションモデルを示す斜視図である。
【図１０】図９に示したモデルの各部の熱伝達率を示した表である。
【図１１】応力シミュレーションモデルの半身部分を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示したモデルの各部の熱膨張率、ヤング率、ポアソン比を示した表である。
【図１３】本発明例に係る応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】パワーモジュールの一例を示す斜視図である。
【図１５】(a)は図１４に示すパワーモジュールの上面図であり、(b)は(a)のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図１６】(a)および(b)は、いずれもパワーモジュールの他の一例を示す断面図である。
【図１７】従来例に係る電気回路基板及び電子部品を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の実施形態の電気回路基板及びパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に電気回路基板が使用される際の上下を限定するものではない。
【００１２】
〔電気回路基板及びパワーモジュール〕
図１(a)に示すように本実施形態の電気回路基板１０は、絶縁基板１と、絶縁基板１の第一主面（上面）１Ａにろう材３で接合されている金属部材２（２Ａ，２Ｂ）と、第一主面１Ａの反対側の第二主面（下面）１Ｂにろう材３で接合されている金属部材２（２Ｄ，２Ｅ）と、熱伝導部材ｇ１とを備えている。絶縁基板１に平行なＸＹ座標と、絶縁基板１の厚み方向を示すＺ座標を図示する。なお、第一主面（上面）１Ａと第二主面（下面）１Ｂは互いに平行である。
【００１３】
金属部材２は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等で形成される。
第一主面１Ａに接合した金属部材は、第一主面１Ａに平行な方向（Ｘ方向とする）に沿って間隙ａ１を介して隔てられた第一金属部材２Ａと第二金属部材２Ｂとを含む。
第二主面１Ｂに接合した金属部材は、第一金属部材２Ａに対する反対側の位置に配置された第三金属部材２Ｄと、第二金属部材２Ｂに対する反対側の位置に配置された第四金属部材２Ｅとを含む。
第一金属部材２Ａには電子部品４０がボンディングされて実装されている。電子部品４０としては、ＩＧＢＴ等のパワー半導体デバイスである。
【００１４】
第三金属部材２Ｄ及び第四金属部材２Ｅは、間隙ａ１に対する反対側の位置に配置された熱伝導部材ｇ１にろう材３を介して接合している。すなわち、第三金属部材２Ｄの側面と熱伝導部材ｇ１の側面とがろう材３を介して接合し、第四金属部材２Ｅの側面と熱伝導部材ｇ１の側面とがろう材３を介して接合している。
【００１５】
熱伝導部材ｇ１は、熱伝導率が金属部材２より大きく、熱膨張率が金属部材２よりも小さい特性を有する。同特性を有する材料としてグラファイト又はグラファイトを成分とする複合材料が適用される。
グラファイトとしては、化学気相成長法により製造される積層構造を有するものが知られる。面方向に共有結合し、面方向が高熱伝導性に構成され、積層方向が低熱伝導性に構成されるものである。複合材料としては、金属（銅、アルミニウム）とグラファイトの複合材料が適用できる。図１(b)に示すように熱伝導部材ｇ１は、高熱伝導方向である面方向を絶縁基板１に平行な方向（ＸＹ方向）に、低熱伝導方向である積層方向を絶縁基板１に垂直な方向（Ｚ方向）にして配置される。これにより、第三金属部材２Ｄと第四金属部材２Ｅとの間の熱伝導が良好となる。そのため、電子部品４０で発生した熱が、熱伝導部材ｇ１を介して金属部材２Ｅにも伝搬しやすく、放熱性が向上する。
【００１６】
また、熱伝導部材ｇ１の熱膨張率が金属部材より小さい特性により、熱応力が低減する。したがって、放熱性良好で、低熱応力性の電気回路基板１０、これを用いたパワーモジュールが提供される。
【００１７】
図２に示すように熱伝導部材ｇ１の第二主面１Ｂに対向する面が、第二主面１Ｂにろう材３を介して接合されている構造も実施し得る。さらに放熱性、低熱応力性を向上できる。
【００１８】
図３に示すように第一主面１Ａを垂直視して、間隙a１が第一金属部材２Ａと第二金属部材２Ｂとを隔てる方向Ｘに垂直な方向Ｙの当該間隙a１の終端ａ３，ａ４が、第一金属部材２Ａと第二金属部材２Ｂとの分離のまま終了している構造を実施し得る。
この場合に、間隙a１の終端ａ３（ａ４）に近い熱伝導部材ｇ１の終端ｇ２（ｇ３）が、間隙a１内の範囲に後退配置されている構造を採用することができる。
絶縁基板１の平面視において応力が集中しやすい第一金属部材２Ａ及び第二金属部材２Ｂのコーナー部に近い、間隙ａ１の終端ａ３（ａ４）を第二主面１Ｂ側でも間隙とすることで、この部位における応力をさらに低減することができる。
通常、図３に示すように第一金属部材２Ａ及び第二金属部材２Ｂが間隙ａ１の終端ａ３（ａ４）においてコーナー円弧部を形成することで、コーナー部に集中しやすい応力を緩和する。第一主面１Ａを垂直視して、熱伝導部材ｇ１の終端ｇ２（ｇ３）が、当該コーナー円弧部２Ａ１，２Ｂ１（２Ａ２，２Ｂ２）よりも間隙ａ１内奥の範囲に後退配置されていることが好ましい。コーナー円弧部２Ａ１，２Ｂ１（２Ａ２，２Ｂ２）に集中しやすい応力を緩和するためである。
【００１９】
図４(a)(b)(c)に示すように、第一主面１Ａに平行な方向（補助線ｄ１，ｄ２，ｄ３の方向）に沿って間隙ａ１を介して隔てられた第一金属部材２Ａと第二金属部材２との構造は、第一主面１Ａに接合した金属部材２が繋がったパターンでも生じうる。
図４(a)に示す金属部材２のパターン例は、間隙ａ１は片側で金属部材が繋がることで終了しており、他の片側で金属部材が分離したまま終了した構造である。
図４(b)に示す金属部材２のパターン例は、金属部材２のコーナー部の応力を緩和するために金属部材２のコーナー部が凹形状の外形に形成された構造である。
図４(c)に示す金属部材２のパターン例は、金属部材２のコーナー部の応力を緩和するために金属部材２のコーナー部に孔が形成された構造である。
以上のような構造であっても、補助線ｄ１，ｄ２，ｄ３に沿った方向に、第一主面１Ａ側では間隙ａ１が、第二主面１Ｂ側では熱伝導部材ｇ１が金属部材間に介在するように配置することで、同様に放熱性向上と熱応力低減の効果が得られる。
【００２０】
なお、絶縁基板１は、セラミック焼結体からなり、高い機械的強度および高い伝熱特性（冷却特性）などの特性を有するものがよい。セラミック焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体および炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体などを用いることができる。このような絶縁基板１は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナ粉末に焼結助剤を添加した原料粉末に有機バインダー等を加えて混練して、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。
ろう材３としては、例えば、金属部材２が銅（Ｃｕ）または銅合金からなる場合であれば、銀―銅（Ａｇ−Ｃｕ）合金ろうに、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を含む活性金属ろうを用いることができる。金属部材２がアルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金からなる場合は、Ａｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｇｅ系合金のろう材を用いることができる。
【００２１】
金属部材２の表面には、その表面の保護のため、あるいはボンディングワイヤー等の接合性の向上のためにめっき層をもうけてもよい。めっき層は、パラジウム、ニッケル、銀等の金属めっき層とすることができる。
なお、電気回路基板１０は、いわゆる多数個取りの形態で作製してこれを分割することで作製することもできる。
【００２２】
〔シミュレーション〕
次に、熱シミュレーション及び応力シミュレーションを開示する。
（シミュレーション１）
（熱分布）
図５は、上記電子部品４０としてのチップを発熱部とした場合のパワーモジュールの熱分布のシミュレーション結果を表示したものである。図５(a)は間隙ａ１に相当する部位の第二主面（下面）側に金属部材を連続して形成した比較例Ｃ１、図５(b)は間隙ａ１に相当する部位の第二主面（下面）側を同じく間隙とした比較例Ｃ２、図５(c)は上記実施形態（図２）に従い間隙ａ１に相当する部位の第二主面（下面）側に上記熱伝導部材ｇ１としてのグラファイトを図１(b)に示す向きで配置して第三金属部材２Ｄおよび第四金属部材２Ｅおよび第二主面（下面）にろう付けした本発明例Ｄ１である。
それぞれ最高温度は発熱中心に生じ、比較例Ｃ１では１７１．８℃、比較例Ｃ２では１７８．４℃、本発明例Ｄ１では１７１．１℃となった。比較例Ｃ１に対して比較例Ｃ２では第二主面（下面）側にも間隙が設けられたことで、第四金属部材２Ｅ相当部分への熱伝搬が悪化し、さらに第二金属部材２Ｂ相当部分への熱伝搬も悪化したことで最高温度が高くなってしまった。
本発明例Ｄ１では、熱伝導部材ｇ１としてのグラファイトに熱伝搬し、さらに第四金属部材２Ｅ、絶縁基板１を介して第二金属部材２Ｂへと熱伝搬するので、熱が広く拡散し、比較例Ｃ１よりも最高温度が低くなった。
したがって、発熱部である電子部品４０の放熱性が、本発明例Ｄ１で最も優れていることが分かった。
【００２３】
（応力分布）
図５と同じモデルについての応力分布のシミュレーション結果を図６に示す。
間隙ａ１の幅方向中央位置の絶縁基板１に生じる応力を比較すると、比較例Ｃ１では７８４ＭＰａ．比較例Ｃ２では０ＭＰａ、本発明例Ｄ１では４２８ＭＰａとなった。
表裏同じ位置に間隙がある比較例Ｃ２では応力はゼロとなったが、図５に示したように放熱性が低下する。
これに対し、本発明例Ｄ１では、図５に示したように放熱性を向上した上で、間隙部の絶縁基板１に生じる応力も比較例Ｃ１に比較して大幅に低減することができた。
【００２４】
以上の熱分布、応力分布のシミュレーションにより、比較例Ｃ１，Ｃ２に対して本発明例Ｄ１の方が放熱性及び低熱応力性につき優れていることが分かった。
【００２５】
（シミュレーション２）
本発明例につきグラファイト（ｇ１）の向きを変えて同様に熱分布と応力分布のシミュレーションを行った。その結果を図７（熱分布）、図８（応力分布）に示す。
図７(a)及び図８(a)に示す本発明例Ｄ１は、グラファイト（ｇ１）を、その低熱伝導方向である積層方向を絶縁基板１に垂直な方向（Ｚ方向）にして配置したモデルである。したがって、図７(a)は図５(a)と同じ結果、図８(a)は図６(a)と同じ結果である。
図７(b)及び図８(b)に示す本発明例Ｄ２は、グラファイト（ｇ１）を、その低熱伝導方向である積層方向を間隙ａ１の長手方向（Ｙ方向）にして配置したモデルである。
図７(c)及び図８(c)に示す本比較例Ｃ３は、グラファイト（ｇ１）を、その低熱伝導方向である積層方向を間隙ａ１の幅方向（Ｘ方向）にして配置したモデルである。
図７に示すように最高温度は、本発明例Ｄ１の１７１．１℃に対し、本発明例Ｄ２で１７１．５℃、比較例Ｃ３で１７３．１℃となった。
間隙ａ１の幅方向中央位置の絶縁基板１に生じる応力を比較すると、本発明例Ｄ１の４２８ＭＰａに対し、本発明例Ｄ２で９３８ＭＰａ、比較例Ｃ３で１６１０ＭＰａとなった。
【００２６】
以上の熱シミュレーションのモデル図を図９に、各部の熱伝達率を図１０に示す。電気回路基板の下面の金属部材（Ｃｕ）がグリース１１を介してヒートシンク１２に接合した構成であり、チップ（４０）での発熱量は２００Ｗ、ヒートシンク１２から空気中への熱伝達係数を８００Ｗ／ｍ２・℃とした。
以上の応力シミュレーションのモデル図（半身図）を図１１に、各部の熱膨張率、ヤング率、ポアソン比を図１２に示す。
グラファイト（ｇ１）は、方向により熱伝達率及び熱膨張率が異なる。図１０、図１２に本発明例Ｄ１，Ｄ２及び比較例Ｃ３の場合の各方向Ｘ，Ｙ，Ｚの熱伝達率、熱膨張率を示す。
グラファイト（ｇ１）は、低熱伝導である積層方向の熱伝導率が７Ｗ／ｍ・℃、高熱伝導である面方向の熱伝導率が１７００Ｗ／ｍ・℃のものを適用した。同グラファイト（ｇ１）は、低熱伝導方向（積層方向）で高熱膨張率であり２５ｐｐｍ／℃の熱膨張率を有し、高熱伝導方向（面方向）で低熱膨張率であり−０．６ｐｐｍ／℃の熱膨張率を有する。
【００２７】
本発明例Ｄ１に対して本発明例Ｄ２では、図１０に示すようにＹ方向に低熱伝導方向が配置されたことで、若干最高温度が上昇したが、第三金属部材２Ｄから第四金属部材２Ｅへの方向（Ｘ方向）ではないので、影響は少なかったと考えられる。
これに対し、比較例Ｃ３では、図１０に示すようにＸ方向に低熱伝導方向が配置されたことで、第三金属部材２Ｄから第四金属部材２Ｅへの方向（Ｘ方向）が低熱伝導方向となり、本発明例Ｄ２に対してもさらに最高温度が上昇したと考えられる。
【００２８】
本発明例Ｄ１に対して本発明例Ｄ２では、図１２に示すようにＹ方向に高熱膨張方向が配置されたこと、ポアソン比等に基づきＸ方向の膨張もあることにより、応力値が大きく上昇した。
さらに比較例Ｃ３では、図１２に示すようにＸ方向に高熱膨張方向が配置されたことで、本発明例Ｄ２に対しても応力値が大きく上昇した。
【００２９】
以上のシミュレーション２の結果により、図１（ｂ）に示すようにグラファイト（ｇ１）は、高熱伝導方向である面方向を絶縁基板１に平行な方向（ＸＹ方向）に、低熱伝導方向である積層方向を絶縁基板１に垂直な方向（Ｚ方向）にして配置されることが良いことが分かった。
本発明例Ｄ１，Ｄ２のように熱伝導部材ｇ１が、少なくとも第三金属部材２Ｄと第四金属部材２Ｅとを隔てる方向Ｘについて、熱伝導率が金属部材２より大きく、熱膨張率が金属部材２よりも小さい特性を有することで、有利な結果が得られた。
【００３０】
（シミュレーション３）
図２に示した熱伝導部材ｇ１と絶縁基板１とがろう材３を介して接合する実施形態に従った本発明例Ｄ１と、図１に示した熱伝導部材ｇ１と絶縁基板１との間が空隙である実施形態に従った本発明例Ｄ３との応力分布を比較した。そのシミュレーションの結果を図１３(a)（本発明例Ｄ１）、図１３(b)（本発明例Ｄ３）に示す。図１３(a)は、図６(c)、図８(a)と同じである。
間隙ａ１の幅方向中央位置の絶縁基板１に生じる応力を比較すると、本発明例Ｄ１の４２８ＭＰａに対し、本発明例Ｄ４では４９２ＭＰａと上昇した。
絶縁基板１に平行な方向の熱膨張率が小さいグラファイト（ｇ１）と絶縁基板（Ｓｉ３Ｎ４）１との間をろう材３を介して接合することで、変形が小さくなるため、本発明例Ｄ３に対して本発明例Ｄ１の方が応力が低下することが分かった。
したがって、熱伝導部材ｇ１の第二主面１Ｂに対向する面が、第二主面１Ｂにろう材３を介して接合されている構造とする方が、応力低減の点では優れていることが分かった。
【００３１】
〔パワーモジュールの他の例〕
以下に説明するようなパワーモジュール１００，１０１，１０２を実施することができる。
電気回路基板１０にパワー系の電子部品４０を搭載することで、パワーモジュールとなる。以下に３例のパワーモジュール１００，１０１，１０２を開示する。
パワーモジュール１００は、例えば、自動車などに用いられ、ＥＣＵ（engine control unit）およびパワーアシストハンドル、モータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール１００は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
【００３２】
図１４および図１５に示す例のパワーモジュール１００においては、セラミック基板（１）の表面（上面）の中央部に接合された金属部材２（１２１）の上に、１つの電子部品４０が搭載されている。電子部品４０が搭載された金属部材２（１２１）を挟むように配置されて接合された金属部材２（１２２）と電子部品４０とはボンディングワイヤー４１によって電気的に接続されている。この外側の金属部材２（１２２）は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品４０で発生した熱は、セラミック基板（１）の上面に接合された金属部材２（１２１，１２２）およびセラミック基板（１）を介してセラミック基板（１）の下面に接合された金属部材２（１２３，１２４）及びグラファイト（ｇ１）に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板（１）の下面に接合された金属部材２（１２３，１２４）とグラファイト（ｇ１）の複合体は放熱板として機能する。電子部品４０の数、大きさおよび搭載位置等については、図１４および図１５に示す例に限られるものではない。
【００３３】
電子部品４０は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばＳｉを用いたＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）やＩＧＢＴといったトランジスタ、あるいはＳｉＣやＧａＮを用いたパワー素子があげられる。
電子部品４０は、接合材（図９に示した４０ａに相当）によって電気回路基板１０の金属部材２に接合されて固定される。接合材は、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属部材２の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品４０の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品４０の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材のフィレットが形成されるので、電子部品４０の金属部材２（金属皮膜）への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材によって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂５０の接合性が向上する。
【００３４】
ボンディングワイヤー４１は、電子部品４０の端子電極（不図示）と金属部材２とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤー４１としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。
図１６（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１４および図１５に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂５０で覆われて、電子部品４０が封止されているものである。封止樹脂５０は、セラミック基板（１）の下面に接合された金属部材２（１２３，１２４）及びグラファイト（ｇ１）の主面（下面）は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属部材２（１２３，１２４）とグラファイト（ｇ１）の複合体を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール１０１とすることができる。また、端子として機能する金属部材２（１２２）は、絶縁基板１からはみ出す長さであり、封止樹脂５０からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属部材２（１２２）と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
封止樹脂５０には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
【００３５】
図１６(b)に示す例のパワーモジュール１０２は、図１４および図１５に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体６０の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂５０が充填されて電子部品４０および電気回路基板１０が封止されている例である。
図１６(a)および図１６(b)に示す例のように、電子部品４０、金属部材２および絶縁基板１を覆う封止樹脂５０を備えるパワーモジュール１０１，１０２とすることができる。封止樹脂５０によって電子部品４０の耐環境性が向上し、また隣接する金属板１２１，１２２間の絶縁性が向上したものとなる。
筐体６０は、枠体６１と、この枠体６１の一方の開口を塞ぐ放熱板６２とで構成されており、枠体６１と放熱板６２とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体６０の枠体６１を貫通して外部へ導出されたリード端子６３を備えている。そして、リード端子６３の内部空間内の端部と電気回路基板１０の金属部材２とがボンディングワイヤー４１で接続されている。これにより、電子部品４０と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
枠体６１は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板６２により一方の開口が塞がれて電気回路基板１０を収納する内側空間を形成している。枠体６１に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、ＰＢＴ樹脂を用いることが望ましい。また、ＰＢＴ樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
【００３６】
リード端子６３は、内側空間から枠体６１を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子６３の内側空間側の端部は電気回路基板１０の金属部材２と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路（図示せず）または電源装置（図示せず）などと電気的に接続される。このリード端子６３は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばＣｕおよびＣｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金、ＦｅおよびＦｅ合金、ステンレススチール（ＳＵＳ）等を用いることができる。
放熱板６２は、動作時に電子部品４０で生じた熱を、パワーモジュール１０２の外部に放熱するためのものである。この放熱板６２には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、ＡｌはＦｅなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品４０で生じた熱をより効率的にパワーモジュール１０２の外部に放熱できるので、電子部品４０を安定して正常に動作させることが可能となる。また、ＡｌはＣｕあるいはＣｕ−Ｗなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール１０２の低コスト化にも有利になる点で優れている。
【００３７】
放熱板６２と電気回路基板１０の金属部材２（１２３，１２４）及びグラファイト（ｇ１）とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリースなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂５０によって接合してもよい。
封止樹脂５０は、内側空間に充填され、電気回路基板１０に搭載された電子部品４０を封止して保護するものである。電気回路基板１０と放熱板６２との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂５０で行なってもよい。この場合、電気回路基板１０と放熱板６２との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
【００３８】
パワーモジュール１０２は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板６２の、電気回路基板１０が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材７１を介して冷却器７０を接合してもよい。この伝熱性接合材７１は上記した、放熱板６２と電気回路基板１０の金属部材２（１２３）とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図１６(b)に示す例では、冷却器７０は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器７０は、図１４および図１５または図１６(a)に示す例のパワーモジュール１００，１０１にも適用することができ、金属部材２（１２３，１２４）とグラファイト（ｇ１）の複合体に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図１６(b)に示す放熱板６２だけを冷却器７０として適用することもできる。
なお、電気回路基板１０およびパワーモジュール１００は、上記実施形態に記載された例に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々の変更は可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１     絶縁基板
１Ａ   第一主面
１Ｂ   第二主面
２     金属部材
２Ａ   第一金属部材
２Ｂ   第二金属部材
２Ｄ   第三金属部材
２Ｅ   第四金属部材
２Ｅ   金属部材
３     ろう材
１０   電気回路基板
４０   電子部品
Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３     比較例
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３     本発明例
ａ１   間隙
ｇ１   熱伝導部材（グラファイト）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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