(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、円形である絶縁基板。
【請求項２】
電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、だ円形である絶縁基板。
【請求項３】
電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、角が丸くなった多角形状である絶縁基板。
【請求項４】
電気絶縁層が、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【請求項５】
配線層が、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【請求項６】
応力緩和層が、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末との混合粉末、Ｃｕ粉末とＷ粉末との混合粉末、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末およびＳｉ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末よりなる群からえらばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【請求項７】
応力緩和層の熱膨張率が、電気絶縁層の熱膨張率と配線層の熱膨張率の中間となっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれかに記載された絶縁基板における応力緩和層が、ヒートシンクに溶接またはろう付されているパワーモジュール用ベース。
【請求項９】
請求項１〜７のうちのいずれかに記載された絶縁基板における応力緩和層が、ヒートシンクに高熱伝導性接着剤により接着されているパワーモジュール用ベース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば半導体素子を実装する絶縁基板およびパワーモジュール用ベースに関する。
【０００２】
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。なお、当然のことながら元素記号で表現された金属には合金は含まれず、純金属を意味する。
【背景技術】
【０００３】
近年、大電力を制御するために、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールが多く用いられるようになってきている。このようなパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、パワーデバイスが実装されるパワーモジュール用ベースとして、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックからなる電気絶縁層、電気絶縁層の一面に形成されたアルミニウム製配線層および電気絶縁層の他面に形成されたアルミニウム製伝熱層からなる絶縁基板と、絶縁基板の伝熱層にはんだ付またはろう付されたアルミニウム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面にねじ止めされたアルミニウム製ヒートシンクとを備えており、ヒートシンクの内部に冷却液流路が形成されたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁基板の配線層上にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとして用いられる。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、電気絶縁層、伝熱層および放熱基板を経てヒートシンクに伝えられ、冷却液流路内を流れる冷却液に放熱される。
【０００５】
このとき、比較的熱膨張率の大きいアルミニウムからなる放熱基板およびヒートシンクは、パワーデバイスから発せられた熱により高温になって、比較的大きく熱膨張しようとする傾向を示す。一方、絶縁基板の電気絶縁層を形成するセラミックスの熱膨張率は、アルミニウムの熱膨張率よりも小さいので、パワーデバイスから発せられた熱により高温になったとしても、放熱基板およびヒートシンクほど大きく熱膨張しようとしない。このため、何も対策を講じなければ、放熱基板およびヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差により、放熱基板およびヒートシンクが絶縁基板に引っ張られて反ることとなり、その結果絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりし、耐久性が低下する。
【０００６】
そして、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、放熱基板として、アルミニウム、銅（銅合金を含む。以下、同じ）などの高熱伝導性材料からなる１対の板状放熱体本体間に、インバー合金などの低熱膨張材が介在させられたものが用いられている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースの配線層にパワーデバイスを実装されたパワーモジュールにおいては、パワーデバイスとヒートシンクとの間に配線層、電気絶縁層、伝熱層および放熱基板が存在するので、パワーデバイスからヒートシンクまでの熱伝導の経路が長くなり、放熱性能が低下する。また、放熱基板とヒートシンクとがねじ止めされているだけであるので、両者間での熱伝導性が十分ではなく、十分な放熱性能が得られない。
【特許文献１】特開２００４−１５３０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、放熱性能の低下を防止しつつ耐久性の向上を実現しうるパワーモジュールに用いられる絶縁基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、円形である絶縁基板。
【００１１】
2)電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、だ円形である絶縁基板。
【００１２】
なお、この明細書および請求の範囲において、「だ円形」という用語には、数学で定義される厳密なだ円形の他に、長円形などの数学で定義されるだ円形に近い形状も含むものとする。
【００１３】
3)電気絶縁層と、電気絶縁層の一面に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層と、電気絶縁層の他面に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層とよりなり、配線層および応力緩和層のうち少なくとも応力緩和層が、角が丸くなった多角形状である絶縁基板。
【００１４】
4)電気絶縁層が、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【００１５】
5)配線層が、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【００１６】
6)応力緩和層が、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末との混合粉末、Ｃｕ粉末とＷ粉末との混合粉末、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末およびＳｉ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末よりなる群からえらばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【００１７】
7)応力緩和層の熱膨張率が、電気絶縁層の熱膨張率と配線層の熱膨張率の中間となっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の絶縁基板。
【００１８】
8)上記1)〜7)のうちのいずれかに記載された絶縁基板における応力緩和層が、ヒートシンクに溶接またはろう付されているパワーモジュール用ベース。
【００１９】
9)上記1)〜7)のうちのいずれかに記載された絶縁基板における応力緩和層が、ヒートシンクに高熱伝導性接着剤により接着されているパワーモジュール用ベース。
【発明の効果】
【００２０】
上記1)〜3)の絶縁基板の場合、応力緩和層がアルミニウム、銅などの高熱伝導性材料からなるヒートシンクに溶接またはろう付されること、あるいは高熱伝導性接着剤により接着されることによってパワーモジュール用ベースが形成され、このパワーモジュール用ベースの配線層にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールが構成される。そして、パワーデバイスとヒートシンクの間には、配線層、電気絶縁層および応力緩和層が存在するだけであるから、特許文献１記載の絶縁基板を用いたパワーモジュールに比較してパワーデバイスからヒートシンクまでの熱伝導の経路が短くなり、パワーデバイスから発せられる熱の放熱性能が向上する。また、配線層および応力緩和層が、電気絶縁層に形成された放電プラズマ焼結体からなるので、配線層および応力緩和層と電気絶縁層との間には熱伝導率の低いろう材を介在させる必要はなく、電気絶縁層と配線層および応力緩和層との間の熱伝導性が優れたものになる。
【００２１】
しかも、絶縁基板の電気絶縁層とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因してヒートシンクが電気絶縁層に引っ張られて反ろうとすることによりパワーモジュール用ベースに熱応力が発生した場合にも、応力緩和層の働きにより熱応力が緩和されるので、電気絶縁層にクラックが生じたり、ヒートシンクの応力緩和層への接合面に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持される。
【００２２】
また、上記1)〜3)の絶縁基板の場合、上述したパワーモジュールにおいて、絶縁基板の電気絶縁層とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因してヒートシンクが電気絶縁層に引っ張られて反ろうとすることによりパワーモジュール用ベースに熱応力が発生した場合にも、応力緩和層の外形に、熱応力の集中するエッジ部が存在しないので、応力緩和層とヒートシンクとの剥離を一層確実に防止することができる。
【００２３】
上記5)の絶縁基板によれば、配線層の導電性および熱伝導性が優れたものになる。
【００２４】
上記6)の絶縁基板によれば、応力緩和層の熱伝導性が優れたものになる。しかも、この絶縁基板を用いたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを用いた際に、パワーモジュール用ベースに熱応力が発生した場合の応力緩和層による熱応力緩和効果が優れたものになる。
【００２５】
上記7)の絶縁基板によれば、この絶縁基板を用いたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを用いた際に、パワーモジュール用ベースに熱応力が発生した場合の応力緩和層による熱応力緩和効果が優れたものになる。
【００２６】
上記8)および9)のパワーモジュール用ベースによれば、配線層にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールにおけるパワーデバイスとヒートシンクの間には、配線層、電気絶縁層および応力緩和層が存在するだけであるから、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールに比較してパワーデバイスからヒートシンクまでの熱伝導の経路が短くなり、パワーデバイスから発せられる熱の放熱性能が向上する。また、配線層および応力緩和層が放電プラズマ焼結体からなるので、配線層および応力緩和層の熱伝導性は優れたものになる。
【００２７】
しかも、絶縁基板の電気絶縁層とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因してヒートシンクが電気絶縁層に引っ張られて反ろうとすることによりパワーモジュール用ベースに熱応力が発生した場合にも、応力緩和層の働きにより熱応力が緩和されるので、電気絶縁層にクラックが生じたり、ヒートシンクの応力緩和層への接合面に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１および図３の上下を上下というものとする。
【００２９】
図１および図２はこの発明による絶縁基板を示し、図３は図１および図２の絶縁基板を用いたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスを実装することにより構成されたパワーモジュールを示す。
【００３０】
図１および図２において、絶縁基板(1)は、電気絶縁層(2)と、電気絶縁層(2)の一面（上面）に形成されかつ導電材料粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層(3)と、電気絶縁層(2)の他面（下面）に形成されかつ合金粉末または金属複合材料を構成する混合粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層(4)とよりなる。
【００３１】
電気絶縁層(2)、配線層(3)および応力緩和層(4)は、それぞれ平面から見て角が直角となった正方形である。
【００３２】
電気絶縁層(2)は、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる。また、電気絶縁層(2)は、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末を用いて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）することにより形成してもよい。各セラミックスの熱膨張率（代表値）は、ＡｌＮ：４．３ppm／Ｋ、Ｓｉ３Ｎ４：２．７ppm／Ｋ、Ａｌ２Ｏ３：７．４ppm／Ｋ、：ＢｅＯ：７．５ppm／Ｋである。
【００３３】
配線層(3)は、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる。各金属の熱膨張率（代表値）は、Ａｌ：２３．５ppm／Ｋ、Ｃｕ：１７．０ppm／Ｋ、Ａｇ：１９．１ppm／Ｋ、Ａｕ：１４．１ppm／Ｋである。図示は省略したが、配線層(3)には回路が形成されている。回路は、配線層(3)を放電プラズマ焼結した後にエッチングにより形成されたり、あるいは配線層(3)を放電プラズマ焼結する際に形成されたりする。
【００３４】
応力緩和層(4)は、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末との混合粉末、Ｃｕ粉末とＷ粉末との混合粉末、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末およびＳｉ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末よりなる群からえらばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる。なお、上述した各種混合粉末の放電プラズマ焼結体は金属複合材料となる。各合金および金属複合材料の熱膨張率（代表値）は、Ａｌ−Ｓｉ合金：１５〜２２ppm／Ｋ、Ｃｕ−Ｍｏ複合材料：７〜１０ppm／Ｋ、Ｃｕ−Ｗ複合材料：６．５〜８．５ppm／Ｋ、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料：７〜１７ppm／Ｋ、Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料：３ppm／Ｋである。
【００３５】
ここで、電気絶縁層(2)、配線層(3)および応力緩和層(4)を形成する材料としては、応力緩和層(4)の熱膨張率が、電気絶縁層(2)の熱膨張率と配線層(3)の熱膨張率の中間となるように選択するのがよい。
【００３６】
パワーモジュール(P)は、図３に示すように、絶縁基板(1)、および絶縁基板(1)の応力緩和層(4)が接合されたヒートシンク(5)よりなるパワーモジュール用ベース(6)と、パワーモジュール用ベース(6)の絶縁基板(1)の配線層(3)にはんだ付により実装されたパワーデバイス(7)とよりなる。
【００３７】
ヒートシンク(5)は、複数の冷却流体通路(8)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。そして、ヒートシンク(5)の上壁(5a)外面に、絶縁基板(1)の応力緩和層(4)が溶接またはろう付されている。なお、絶縁基板(1)の応力緩和層(4)は、ヒートシンク(5)の上壁(5a)外面に、高熱伝導性接着剤を用いて接着されていてもよい。
【００３８】
ヒートシンクとしては、複数の冷却流体通路が並列状に設けられた扁平中空状のものに代えて、放熱基板の片面に放熱フィンが設けられたものを用いてもよい。この場合、放熱基板における放熱フィンが設けられていない側の面に、絶縁基板(1)の応力緩和層(4)が、上記と同様にして接合される。
【００３９】
上述したパワーモジュール(P)において、パワーデバイス(7)から発せられた熱は、配線層(3)、電気絶縁層(2)および応力緩和層(4)を経てヒートシンク(5)の上壁(5a)に伝えられ、上壁(5a)から冷却流体通路(8)内を流れる冷却流体に放熱される。このとき、絶縁基板(1)の電気絶縁層(2)とヒートシンク(5)との熱膨張率の相違に起因してヒートシンク(5)が電気絶縁層(2)に引っ張られて反ろうとすることによりパワーモジュール用ベース(6)に熱応力が発生した場合にも、応力緩和層(4)の働きにより熱応力が緩和されるので、電気絶縁層(2)にクラックが生じたり、ヒートシンク(5)の応力緩和層(4)への接合面に反りが生じたりすることが防止される。
【００４０】
次に、絶縁基板(1)の製造方法について説明する。
【００４１】
すなわち、一般的な製法で作製されたＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末を使用する。また、これらの粉末を、遊星型ボールミル、アトライタミル、ポットミルなどを用いてメカニカルアロイングし、さらに微細な粉末にしてもよい。メカニカルアロイングに要する時間は１〜１５時間である。メカニカルアロイングを行っていない粉末、およびメカニカルアロイングにより微細にされた粉末の平均粒径は数μｍ〜数百μｍの範囲内とする。そして、この粉末を放電プラズマ焼結することにより、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる電気絶縁層(2)を形成する。あるいは、上述した粉末を熱間静水圧プレスすることにより、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末からなる電気絶縁層(2)を形成する。
【００４２】
ＡｌＮ粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末およびＢｅＯ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結の条件は、形成する電機絶縁層(2)の大きさにより異なるが、たとえば通電するパルス電流１０００〜１００００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、焼結温度保持時間５〜４０ｍｉｎであり、上記粉末は抵抗加熱により１５００〜２２００℃の範囲の焼結温度に加熱されることになる。
【００４３】
また、一般的な製法により作製されたＡｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末を使用する。また、これらの粉末を、遊星型ボールミル、アトライタミル、ポットミルなどを用いてメカニカルアロイングし、さらに微細な粉末にしてもよい。メカニカルアロイングに要する時間は１〜１５時間である。メカニカルアロイングを行っていない粉末、およびメカニカルアロイングにより微細にされた粉末の平均粒径は数μｍ〜数百μｍの範囲内とする。
【００４４】
また、一般的な製法により作製されたＡｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末、Ｍｏ粉末、Ｗ粉末、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末、ＳｉＣ粉末およびＳｉＣ粉末を使用する。また、これらの粉末を、遊星型ボールミル、アトライタミル、ポットミルなどを用いてメカニカルアロイングし、さらに微細な粉末にしてもよい。メカニカルアロイングに要する時間は１〜１５時間である。メカニカルアロイングを行っていない粉末、およびメカニカルアロイングにより微細にされた粉末の平均粒径は数μｍ〜数百μｍの範囲内とする。ここで、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる応力緩和層(4)を形成するＡｌ−Ｓｉ合金粉末は、Ｓｉ１１〜２０質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる合金から作製される。Ｃｕ−Ｍｏ複合材料からなる応力緩和層(4)を形成する場合には、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＣｕ：Ｍｏ＝６０：４０〜１５：８５となるように混合して混合粉末を得る。Ｃｕ−Ｗ複合材料からなる応力緩和層(4)を形成する場合には、Ｃｕ粉末とＷ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＣｕ：Ｗ＝２０：８０〜１０：９０となるように混合して混合粉末を得る。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる応力緩和層(4)を形成する場合には、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＡｌ：ＳｉＣ＝８０：２０〜２０：８０となるように混合して混合粉末を得る。Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料からなる応力緩和層(4)を形成する場合には、Ｓｉ粉末とＳｉＣ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＳｉ：ＳｉＣ＝１５：８５〜２０：８０となるように混合して混合粉末を得る。
【００４５】
その後、先に形成した電気絶縁層(2)の一面に、上記のようにして得られたＡｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末を放電プラズマ焼結することにより、この粉末の放電プラズマ焼結体からなる配線層(3)を形成すると同時に、電気絶縁層(2)の他面に、上記のようにして得られた合金粉末または混合粉末を放電プラズマ焼結することにより、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末との混合粉末、Ｃｕ粉末とＷ粉末との混合粉末、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末およびＳｉ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末よりなる群からえらばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結体からなる応力緩和層(4)を形成する。こうして、絶縁基板(1)が製造される。
【００４６】
Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末およびＡｕ粉末よりなる群から選ばれた１種の粉末を放電プラズマ焼結の条件、ならびにＡｌ−Ｓｉ合金粉末、Ｃｕ粉末とＭｏ粉末との混合粉末、Ｃｕ粉末とＷ粉末との混合粉末、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末およびＳｉ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末よりなる群からえらばれた１種の粉末の放電プラズマ焼結の条件は、形成する配線層(3)および応力緩和層(4)の大きさにより異なるが、たとえば通電するパルス電流４００〜２０００Ａ、加圧力１０〜１００ＭＰａ、焼結温度保持時間１〜４０ｍｉｎであり、上記粉末は抵抗加熱により４００〜１４００℃の範囲の焼結温度に加熱されることになる。
【００４７】
以下、この発明による絶縁基板(1)の具体的実施例について、比較例とともに説明する。
【００４８】
実施例１
一般的な製法により作製された平均粒径６μｍのＡｌＮ粉末を黒鉛製ダイス内に入れ、ダイス内に臨むように１対の電極を配置した。その後、ＡｌＮ粉末に５０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大２０００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に５分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、１辺５０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの正方形状の電気絶縁層(2)を形成した。上記放電プラズマ焼結の際のＡｌＮ粉末の焼結温度は１８００℃であった。
【００４９】
また、ガスアトマイズにより平均粒径１００μｍのＡｌ粉末を作製した。さらに、ガスアトマイズにより作製した平均粒径１００μｍのＡｌ粉末と、一般的な製法により作製された平均粒径１０μｍのＳｉＣ粉末とを使用し、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＡｌ：ＳｉＣ＝５０：５０となるように混合して混合粉末を得た。
【００５０】
ついで、電気絶縁層(2)の両面側にそれぞれ黒鉛製ダイスを配置し、電気絶縁層(2)の一面側においてダイス内にＡｌ粉末を入れるとともに、同他面側においてダイス内にＡｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末を入れ、各ダイス内に臨むように１対の電極を配置した。その後、Ａｌ粉末に２０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大１５００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に３分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、電気絶縁層(2)の一面に、電気絶縁層(2)に接合された１辺４８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状の配線層(3)を形成した。これと同時に、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末に２０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大１５００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に３分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、電気絶縁層(2)の他面に、電気絶縁層(2)に接合された１辺５０ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状の応力緩和層(4)を形成した。上記放電プラズマ焼結の際のＡｌ粉末、およびＡｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末の焼結温度はそれぞれ５５０℃であった。
【００５１】
こうして、絶縁基板(1)を製造した。
【００５２】
実施例２
一般的な製法により作製された平均粒径６μｍのＡｌＮ粉末を黒鉛製ダイス内に入れ、ダイス内に臨むように１対の電極を配置した。その後、ＡｌＮ粉末に５０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大１０００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に５分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、１辺１２ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの正方形状の電気絶縁層(2)を形成した。上記放電プラズマ焼結の際のＡｌＮ粉末の焼結温度は１８００℃であった。
【００５３】
また、ガスアトマイズにより平均粒径１００μｍのＡｌ粉末を作製した。さらに、ガスアトマイズにより作製した平均粒径１００μｍのＡｌ粉末と、一般的な製法により作製された平均粒径１０μｍのＳｉＣ粉末とを使用し、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末とを、両者の混合比が体積割合でＡｌ：ＳｉＣ＝５０：５０となるように混合して混合粉末を得た。
【００５４】
ついで、電気絶縁層(2)の両面側にそれぞれ黒鉛製ダイスを配置し、電気絶縁層(2)の一面側においてダイス内にＡｌ粉末を入れるとともに、同他面側においてダイス内にＡｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末を入れ、各ダイス内に臨むように１対の電極を配置した。その後、Ａｌ粉末に２０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大５００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に３分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、電気絶縁層(2)の一面に、電気絶縁層(2)に接合された１辺１０ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状の配線層(3)を形成した。これと同時に、Ａｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末に２０ＭＰａの１軸方向の圧力を負荷した状態で、１対の電極間に最大５００Ａのパルス電流を通電して焼結温度に３分間保持することにより放電プラズマ焼結を行い、電気絶縁層(2)の他面に、電気絶縁層(2)に接合された１辺１２ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状の応力緩和層(4)を形成した。上記放電プラズマ焼結の際のＡｌ粉末、およびＡｌ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉末の焼結温度はそれぞれ５５０℃であった。
【００５５】
こうして、絶縁基板(1)を製造した。
【００５６】
比較例１
１辺５０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの正方形状のＡｌＮ板と、１辺４８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状のＡｌ板を用意した。ついで、Ａｌ−Ｓｉ合金製ろう材を使用し、ＡｌＮ板の両面にＡｌ板をろう付することにより、絶縁基板を製造した。ＡｌＮ板と両Ａｌ板との間のろう材層の厚みは０．０５ｍｍであった。こうして製造された絶縁基板において、一方のＡｌ板が配線層になり、他方のＡｌ板が応力緩和層となる。
【００５７】
比較例２
１辺１２ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの正方形状のＡｌＮ板と、１辺１０ｍｍ、厚み０．６ｍｍの正方形状のＡｌ板を用意した。ついで、Ａｌ−Ｓｉ合金製ろう材を使用し、ＡｌＮ板の両面にＡｌ板をろう付することにより、絶縁基板を製造した。ＡｌＮ板と両Ａｌ板との間のろう材層の厚みは０．０５ｍｍであった。こうして製造された絶縁基板において、一方のＡｌ板が配線層になり、他方のＡｌ板が応力緩和層となる。
【００５８】
評価試験
実施例１〜２および比較例１〜２の絶縁基板を使用し、配線層の表面（図１の上面）と応力緩和層の表面との間の熱抵抗を求めた。その結果、実施例１の絶縁基板では０．００４１Ｋ／Ｗ、実施例２の絶縁基板では０．０７９１Ｋ／Ｗ、比較例１の絶縁基板では０．００４４Ｋ／Ｗ、比較例２の絶縁基板では０．０９２８Ｋ／Ｗであった。
【００５９】
この結果から明らかなように、寸法が同じの場合、この発明の絶縁基板の厚み方向の熱伝導性は比較例１〜２の絶縁基板の厚み方向の熱伝導性よりも優れていることが分かる。
【００６０】
図４〜図６は絶縁基板の応力緩和層の変形例を示す。
【００６１】
図４に示す応力緩和層(10)は、平面から見て円形である。
【００６２】
図５に示す応力緩和層(11)は、平面から見てだ円形である。
【００６３】
図６に示す応力緩和層(12)は、平面から見て角が丸くなった多角形状、ここでは長方形状である。
【００６４】
図４〜図６に示す応力緩和層(10)(11)(12)の場合、電気絶縁層(2)としては、応力緩和層(10)(11)(12)と同形同大のものや、応力緩和層(10)(11)(12)と同形で、かつ大きさの大きいものや、応力緩和層(10)(11)(12)と異形で、かつ大きさの大きいものが用いられる。
【００６５】
また、絶縁基板の配線層も、図４〜図６に示す応力緩和層と同様に、円形、だ円形、角が丸くなった多角形状であってもよい。この場合も、電気絶縁層(2)としては、配線層と同形同大のものや、配線層と同形で、かつ大きさの大きいものや、配線層と異形で、かつ大きさの大きいものが用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
この発明の絶縁基板は、パワーデバイスとなる半導体素子を冷却するパワーモジュールに好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明による絶縁基板を示す垂直断面図である。
【図２】この発明による絶縁基板を示す平面図である。
【図３】図１の絶縁基板を用いたパワーモジュール用ベースにパワーデバイスを実装することにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図４】応力緩和層の第１の変形例を示す平面図である。
【図５】応力緩和層の第２の変形例を示す平面図である。
【図６】応力緩和層の第３の変形例を示す平面図である。
【図１】
0005520815.tif 000002
【図２】
0005520815.tif 000003
【図３】
0005520815.tif 000004
【図４】
0005520815.tif 000005
【図５】
0005520815.tif 000006
【図６】
0005520815.tif 000007