(57)【要約】【課題】本発明の目的は、炭素繊維とマトリックス金属界面に生じる剥離を抑制した高信頼な高電気伝導度の複合材料およびその製造方法を提供することである。【解決手段】本発明に係る複合材料は、炭素繊維の全周囲を覆うようにマトリックス金属が設けられ、前記炭素繊維の表面には金属X（XはTi,Zr,Nb,Ta,V,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bのいずれか１種以上から選ばれる金属）との炭化物層が形成され、前記金属Xの濃度は前記炭素繊維の芯からの距離が離れるにつれて濃度が低くなっていることを特徴とする。【選択図】  図１
2014043635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の全周囲を覆うようにマトリックス金属が設けられた複合材料において、
前記炭素繊維の表面には金属X（XはTi,Zr,Nb,Ta,V,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bのいずれか１種以上から選ばれる金属）との炭化物層が形成され、
前記金属Xの濃度は前記炭素繊維の芯からの距離が離れるにつれて濃度が低くなっていることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料において、
前記金属Xの濃度は、前記炭素繊維の表面から１ｎｍ〜１μｍの間で不連続に変化する点を有することを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の複合材料において、
前記マトリックス金属は銅であることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の複合材料において、
前記炭化物層が形成された炭素繊維は、格子状に編みこまれた織布であることを特徴とする複合材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の複合材料を電極として使用したことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項４に記載のパワーモジュールを使用したことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
炭素繊維がマトリックス金属に含浸された複合材料の製造方法において、
前記炭素繊維に金属Ｘ（XはTi,Zr,Nb,Ta,V,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bのいずれか１種以上から選ばれる金属）と銅の合金をめっきする第一の過程と、
前記合金がめっきされた炭素繊維を非酸化雰囲気中で熱処理する第二の過程と、
前記熱処理された炭素繊維に銅を溶湯する第三の過程を有することを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の複合材料の製造方法において、
前記熱処理の温度と溶湯する銅の温度の和の１／２が１１００℃を超えないことを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の複合材料の製造方法において、
前記熱処理の温度が９００℃であることを特徴とする複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料とその製造方法及びそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、SiCやGaNなど低損失で高温動作可能な半導体デバイスが開発され、モジュールやパッケージなどの半導体部品にも、300℃近い耐熱性や温度サイクル信頼性が求められている。半導体装置の使用時に最も損傷を受ける部位は、半導体デバイスと配線部材や配線基板の接合部である。半導体装置の使用時に半導体デバイス周辺の温度変動が大きくなると、半導体デバイスと配線部材や配線基板との熱膨張差による熱歪が増大して、接合部の熱疲労寿命が短くなる。このため、高温デバイス対応には配線部材や配線基板を低熱膨張化する必要がある。
【０００３】
従来のモジュールやパッケージの配線部材や配線基板の導体パターンには銅やアルミなどの高導電性金属しか使われておらず、熱膨張率は大きかった。また、従来の材料において、高導電性金属を低熱膨張化した材料として、低熱膨張金属と高導電性金属をクラッドした材料、例えば銅/インバー/銅や銅/モリブデン/銅などの材料があるが、板厚方向が銅で繋がっておらず配線部材や導体パターン材料として適していなかった
【０００４】
一方で、銅などの高導電性材料に炭素繊維を埋設した複合材料は、高強度・高弾性かつ低熱膨張の炭素繊維の効果によって低熱膨張化できる。また、当該複合材料はより少ない炭素繊維量で低熱膨張化し高い電気伝導性を保つには長繊維の炭素繊維を埋設することが有効である。特許文献１には、炭素繊維の成形体に溶融したマトリックス金属を含浸・充填して複合化する溶湯鍛造法が開示されている。
【０００５】
一方で、炭素繊維と銅や銀などの高導電性金属は相互に化学的な相互作用が無く、強固な密着力が得られない。このため、両者の密着力を上げる複合材の製造方法が特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２４７７５８号公報
【特許文献２】特開平１０−３３０８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の炭素繊維にニッケルめっき膜を形成する方法は、炭素繊維とマトリックス金属との濡れ性の改善に有効であるが、溶湯鍛造法における溶融金属の温度は流動性を良くするために当該マトリックス金属の融点の100〜200℃以上に高くする必要がある。そのため、特にマトリックス金属が銅のである場合にはニッケルが銅に溶解してしまい、銅の電気導電率を低下させるという問題がある。また、ニッケルが溶解すると炭素繊維と銅の界面が形成されてしまい密着力が低下してしまうという問題がある。さらに、マトリックス金属が銀の場合は、ニッケルめっき膜の溶解は少なく銀の良好な電気伝導率が保たれるものの、ニッケルと炭素は加熱のみで炭化物を形成しないため両者の密着力がそれほど高くならない。
【０００８】
一方で炭素繊維と銅との密着性を上げるため、炭素と反応するチタンやクロムの金属粉を付着させて加熱処理し化合物層を成長させる特許文献２に記載の方法では、炭素繊維と金属粉の接触が点接触で局部的となるため化合物層の形成が場所によって不均一となり、局所的な応力集中が起きて化合物層にクラックや剥離が発生し易いという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、炭素繊維とマトリックス金属界面に生じる剥離を抑制した高信頼な高電気伝導度の複合材料およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る複合材料は、炭素繊維の全周囲を覆うようにマトリックス金属が設けられ、前記炭素繊維の表面には金属X（XはTi,Zr,Nb,Ta,V,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bのいずれか１種以上から選ばれる金属）との炭化物層が形成され、前記金属Xの濃度は前記炭素繊維の芯からの距離が離れるにつれて濃度が低くなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、炭素繊維とマトリックス金属界面に生じる剥離を抑制した高信頼な高電気伝導度の複合材料およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による炭素繊維織布と銅から成る複合材料の断面構造の一実施形態
【図２】本発明による複合材料の炭素繊維近傍の断面構造の拡大図
【図３】本発明における複合材を構成する炭素繊維織布の一実施形態
【図４】本発明による炭素繊維織布と高導電性金属の銅からなる複合材料の製造方法の一実施形態
【図５】本発明によるセラミック配線基板の一実施形態
【図６】本発明によるセラミック配線基板の製造方法の一実施形態
【図７】本発明による高温デバイスを搭載したパワーモジュールの実装構造の一実施形態
【図８】本発明による半導体装置の断面構造の一実施形態
【図９】本発明による半導体装置の実装構造の一実施形態
【図１０】本発明による炭素繊維外周部の銅と金属Ｘの濃度変化を示す図である。
【図１１】本発明による炭素繊維外周部のめっき膜の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明による炭素繊維３の織布１と銅から成る複合材料１００の板の断面構造の一実施形態を示す。図１において、炭素繊維３の織布１は複合材料１００の面に平行にかつ当該複合材料１００の板厚中心面(A-A)に対して略対称に配置された状態で、マトリックス金属２である銅中に埋設されている。
【００１４】
炭素繊維３の織布1の体積比率は複合材料１００に対して20〜60vol%となるように調整しているが、好ましい範囲は30〜50vol%である。調整は、１枚の織布編み込む炭素繊維３の量および埋設する層数で行っている。具体的な例としては、図１に示すように2枚入れるなど、複数枚の織布1を織り込むことが出来る。
【００１５】
図２は、図１の炭素繊維３近傍のCの断面構造を拡大して示した図である。図２において、炭素繊維３の表面には融点が1500℃以上で、500〜2000℃の温度域での炭化物の標準自由生成エネルギーが負の値を示す炭化物層４が形成され、その近傍にはの金属炭化物が、マトリックス金属２の銅に固溶された中間領域５が形成され、その周囲をマトリックス金属２の銅が取り巻いた構造となっている。ここで、500〜2000℃で標準自由生成エネルギーが負とは、500〜2000℃の領域で炭化物層４が形成されるという意味である。また、炭化物層４の厚さは１ｎｍ〜１μｍである。したがって、図１０を用いて後に詳細に説明するが、当該金属Ｘの濃度は１ｎｍ〜１μｍの間で１点不連続に減少する点を有する。
【００１６】
マトリックス金属２の銅の中には炭化物形成金属元素が銅めっき膜５の濃度より低い値で固溶している。なお、金属炭化物を形成する金属ＸとしてはTi,Ta,Nb,V,Zr,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bなどの金属が適しており、当該金属Ｘと銅の合金を予めめっきしておく必要がある。また、図２に示した炭化物層４の形成方法については後述する。
【００１７】
図３（a）は、複合材料１００から織布１のみを取り出した図である。複合材料１００を構成する炭素繊維３の織布１の一例を示す。炭素繊維３には、ポリアクリロニトリル樹脂を紡糸し1000〜1500℃で炭化してさらに2000〜3000℃で黒鉛化したＰＡＮ系の炭素繊維３、石油や石炭から得られる異方性ピッチを紡糸し1000〜1500℃で炭化してさらに2000〜3000℃で黒鉛化したピッチ系の炭素繊維３があり、ピッチ系の炭素繊維３の方が好ましいがいずれも低熱膨張（0.2〜-1.5ppm/K）で高弾性（230〜940GPa）の材料である。なお、炭素繊維３の直径はＰＡＮ系の炭素繊維３で5〜7μm、ピッチ系の炭素繊維３で7〜11μmのものを用いるのが好ましい。
【００１８】
図３（ｂ）は、図３（a）のＢ−Ｂ断面を示したものである。上述したＰＡＮ系またはピッチ系またはこれらの組み合わせの炭素繊維３を使って数百〜数万本を１束にした横糸６と縦糸７を、図３（b）のように格子状に編み込んで織布１を製造している。格子のピッチについては、複合材料１００の板を配線部材として加工した場合の短辺に格子部８の数が2〜3以上となるピッチサイズとし、可能な範囲で小さいピッチとしている。このような構成にすることによって、複合材料１００は均一に低熱膨張の材料とすることが出来る。
【００１９】
本実施形態によれば、低熱膨張（0.2〜-1.5ppm/K）で高弾性率（230〜940GPa）の炭素繊維３で編んだ織布１を体積比率で30〜50vol%の比率で高導電性材料の銅の中に板面方向に揃えて埋設し、炭素繊維３の表面に炭化物層４を形成させることによって、炭素繊維３による銅の低熱膨張化及び炭素繊維３と銅からなるマトリックス金属２の接合強度を向上させた複合材料１００を得ることが可能となる。また、炭素繊維３と銅からなるマトリックス金属２の密着性が向上したため少ない炭素繊維３の量で熱膨張率を大幅に下げられるようになった。したがって熱膨張率を6ppm/K以下にして、かつ電気伝導率30%IACS（International Annealed Copper Standard）以上を得られる複合材料１００を作成することが出来るのである。
【００２０】
また、炭素繊維３とマトリックス金属２の銅との界面強度を向上したことによって、温度変動の厳しい環境に曝された場合にも、材料内部の熱応力で両者の界面に剥離が発生することが無く、長期に渡って熱機械的特性あるいは電気的特性の変動が少ない長期信頼性に優れた複合材料１００を提供できるのである。
【００２１】
図４は、本発明による炭素繊維３の織布１と高導電性金属の銅からなる低熱膨張、高導電性の複合材料１００の製造方法の一実施形態を示す。なお、図４は、製造工程のフローチャートと各工程での材料の状態を対応させて示している。
【００２２】
まずステップＳ１において、炭素繊維３の表面に形成されたサイジング処理膜等の樹脂を加熱あるいは薬剤等で除去した炭素繊維３の織布１を準備する。続いて脱脂や活性化などの前処理を施した後、ステップＳ２で、炭素繊維３の表面に無電解の銅合金めっき８を施す。銅合金としては、無電解めっきが可能で加熱処理により炭化物を形成し、銅との合金を作りやすいV,Cr,Mnなどの合金が挙げられる。なお、V,Cr,Mn以外の金属であったとしても、500〜2000℃の温度域で炭化物の標準自由生成エネルギーが負の値を示す炭化物層４を形成できる金属であればこれら以外の金属を用いても良い。例えばV,Cr,Mn以外の金属では、Ti,Ta,Nb,Zr,Mo,W,Si,Bが挙げられる。これらの金属のうちでも、作成のしやすさを考慮すると、無電解めっきで作成可能なV,Cr,Mnが特に好ましい。
【００２３】
めっき膜厚は0.1〜2μmの範囲とし、合金の濃度によって膜厚を変えて、溶湯鍛造後のマトリックス金属２の銅の電気伝導率が50%IACS以上となるように調整している。
【００２４】
溶湯鍛造後のマトリックス金属２の銅の電気伝導率が50%IACS以上となる一例としては、8μm直径のC繊維に2μm厚のCu-Cr合金めっきを行い、炭素繊維３の体積比率を30vol%としてマトリックス金属２のCuを複合化する場合に、めっき膜のCr濃度を4.2wt%と調整するなどが挙げられる。このように調整することによって、最悪このCrが銅からなるマトリックス金属２全体に均一に拡散したとしてもCr濃度は1.0wt%ととなり、Cu-1wt%Cr合金の電気伝導度は80％IACS以上であるため、炭素繊維３の電気伝導度を考慮した複合材料１００の電気伝導度は56％IACS以上となる。なお、Crは炭化物の形成で消費されかつ拡散しきれずめっき膜中に多くのCrが残存するため、複合化したCu中のCr濃度は1.0wt％に比べて低くなり、実際の電気伝導度は上記試算値より高くなる。
【００２５】
続いてステップＳ３では、非酸化雰囲気中で900℃〜めっき膜８が溶融しない温度に加熱して一定時間保持し、V,Cr,Mnなどの金属元素を拡散させて炭素繊維３の表面に炭化物層４を成長させる。炭化物の形成によってV,Cr,Mnなどの金属元素は炭素繊維３の界面に濃化していき、V,Cr,Mnなどの金属元素の濃度が減少した銅めっき膜５が形成される。炭化物層４における炭素繊維３の界面では金属と炭素の化学的な結合が達成され、銅側では炭化物金属形成層である炭化物層４を介して銅めっき膜５と金属結合した状態となり、強固な密着強度が得られる。
【００２６】
さらにステップＳ４では、この炭化物層４を形成した炭素繊維３の織布１を金型１３の中に銅箔１１や銅シート１２を挟んで位置決めするように配置して固定し、金型全体を1000℃以上の温度に予熱する。位置決めに使う銅箔１１や銅シート１２は高純度の材料を使い、複合材料１００の表面になる位置には炭素繊維３が露出しないように銅箔１１を配置している。炭化物層４を形成した織布１は、銅箔１１や銅シート１２で圧縮された状態で固定されている。なお、この際に金型１３に外部から圧力を加えてもよい。
【００２７】
続いてステップＳ５では金型１３をさらに1200℃以上に加熱した高純度の銅を金型に注湯し、同時に溶融した銅に液圧を加えて細部まで含浸させ、銅箔１１や銅シート１２や炭素繊維３の銅めっき膜５が完全に溶解して消失しない条件として溶湯鍛造を完了している。
【００２８】
なお、ここで言う同めっき膜５が完全に溶解して消失しない条件について、例えば、銅合金めっきした炭素繊維３と銅からなるマトリックス金属２の注湯充填量の体積比率をCu:C＝70:30の場合でC繊維側が約2/5、マトリックス金属２側が約3/5となる場合を用いて説明する。
【００２９】
このとき、予熱温度を900℃、溶湯温度を1200℃とすると、溶湯がめっき膜に接した瞬間にめっき膜表面の温度は両者の中間温度1050℃に達し、熱放散が全くないとすると全体は約1080℃になる。つまりこの場合には銅めっき膜５は溶融しないこととなる。
【００３０】
一方で、溶湯温度を1300℃とすると、めっき膜表面は瞬間的に1100℃に達し、めっき膜は表面側から溶融を始めて時間と共に全めっき膜が溶融することになるが、実際には熱放散によって複合材全体の温度が低下していくため、溶融領域は限定される。特に、炭素繊維３は熱伝導性が高いため複合材周囲への熱放散が効率的に進み、炭素繊維３に近い銅めっき膜５は、この条件では溶融しない。
【００３１】
他方で、予熱温度を1000℃、溶湯温度を1400℃とすると、めっき膜が完全溶融する可能性が高い。
【００３２】
以上をまとめると、銅めっき膜５が完全に消失しない条件とは、予熱温度と溶湯温度の和の１／２が１１００℃以下であることが必要になる。このような条件とすれば温度が銅めっき膜５を消失させることなくマトリックス金属２を形成できる。
【００３３】
最後にステップＳ６で、冷却後に金型１３から複合材料１００を取り出し、仕上げ加工を施して複合材料１００が完成する。
【００３４】
より詳細な金属濃度の変化について図１０を用いて説明する。まず図１０（Ａ）に示すように、炭素繊維３の周りに無電解めっきでＣｕ−Ｍ合金（MはTi,Zr,Nb,Ta,V,Cr,Mn,Mo,W,Si,Bなどの金属）のめっき膜が形成される（ステップＳ２に該当）。そのときのＣｕとＭの金属濃度を縦軸に、横軸に炭素繊維３の中心（芯）からの距離Ｘをプロットしたデータが図１０（Ａ）のグラフである。当然このときはまだ炭化物層４が形成されていないので、炭素繊維３の中心（芯）からの距離Ｘが変化しようとも銅めっき層５のＣｕとＭの金属濃度は距離に関わらず一定である。
【００３５】
続いて、熱処理を行なう（ステップＳ３に対応）ことによって、図１０（Ｂ）に示すように銅めっき層５の内部に存在していた金属Ｍが炭素繊維３の周囲に移動し、金属Ｍとの炭化物層４を形成する。このときは図１０（Ｂ）のグラフに示す通り、炭素繊維３の周囲の金属Ｍの濃度は図１０（Ａ）の銅めっき層５よりも上昇し、その一方で炭化物層４の周辺部の銅めっき層５は図１０（Ａ）の銅めっき層５よりも少なくなっている。
【００３６】
最後に、銅からなるマトリックス金属２を注入して複合材料１００を形成することによって、図１０（Ｃ）のグラフに示すように金属Ｍの濃度が比較的高い銅めっき層５ｂ（銅めっき層５ａよりも金属Ｍの濃度が大きい層）と、金属Ｍの濃度が低い銅めっき層５ａが形成され、銅の濃度割合が大きくなった銅めっき層５aが銅からなるマトリックス金属２に拡散して接合強度が上昇する。
【００３７】
以上のように、本発明では複合化の際に、炭素繊維３の中心（芯）から炭化物層４、金属Ｍの濃度が比較的高い銅めっき層５ｂ、金属Ｍの濃度が低い銅めっき層５ａ、銅からなるマトリックス金属２の順で段階的に金属Ｍの濃度が変化するため、それぞれ隣接する物質とのなじみがよく、接合強度が上昇する。
【００３８】
以上、本実施形態によれば、炭素繊維３の織布に無電解めっき法で炭化物形成元素を含む銅の合金膜を形成しているため、めっき液の撹拌によって織布の内部の炭素繊維３にまでほぼ均等な膜厚の合金めっきができるようになる。その結果、炭素繊維３の全表面に均等な厚さの炭化物層４を形成した織布を作ることができるようになる。炭化物層４が形成された炭素繊維３の織布１は、湿式めっき法と加熱処理のみの工程で製造可能なため、量産性があり低コストな製造法となる。溶湯鍛造工程では、炭素繊維３表面にマトリックス金属２と同じ銅がめっきされているため、溶融した銅が濡れ易く細部まで容易に浸透して含浸不良の発生が無くなるため、製造歩留まりを高くできるという効果がある。また、炭素繊維３表面の炭化物層４は1500℃以上の高融点であるため、例え高温の溶融した銅が接触することがあっても短時間に溶解して無くなることが無いため、複合材料１００の内部では、炭素繊維３と銅からなるマトリックス金属２の全ての界面が炭化物層４によって高密着化した状態となり、厳しい温度変動環境下においても特性の安定した高信頼な複合材料１００の製造が可能となるのである。
【００３９】
<第二の実施形態>
なお、ここでは炭素繊維３に形成された合金めっき膜８は無電解めっきによって形成したが、電気めっき法による合金めっきが必要なTi,W,Mo,Si,Vや、金属粉１０４として混入させる複合めっきが必要なZr,Ta,Nb.Hfに関しては、織布１内部の炭素繊維３へのめっき形成が困難なため、炭素繊維３が織布１になっていない、つまり解かれた状態で電気めっき処理を施し、めっき膜を形成した後に格子状に編んで織布１を作り、以下、熱処理して溶湯鍛造する工程で製造している。
【００４０】
図１１（a）に複合めっき処理後の炭素繊維３を示す。このように複合めっき処理後は金属粉１０４が分散した状態となっており、熱処理完了後には金属粉１０４が均一に拡散して図１０（ｃ）と同様の構成となる。ただし、金属粉１０４が均一に拡散しなかった場合には若干の濃度むらが出来る。
【００４１】
なお、複合めっきの具体例としては、例えば、低圧不活性ガス雰囲気中の蒸発法などにより作製したTi微粉末を親水処理してCuめっき液中に浮遊・分散させ、電気めっき法でCuを析出させる過程でTi微分末をCuめっき膜中にトラップさせて複合めっき膜を作成する方法などが挙げられる。
【００４２】
本実施形態によれば、無電解めっきでめっきが形成されずらい金属に対してでも、炭素繊維３の中心（芯）から炭化物層４、金属粉５の金属濃度が比較的高い銅めっき層５ｂ、金属粉５の金属濃度が低い銅めっき層５ａ、銅からなるマトリックス金属２の順で段階的に金属Ｍの濃度が変化するため、それぞれ隣接する物質とのなじみがよく、接合強度が上昇させることができるので、長期信頼性に優れた複合材料１００の製造が可能となる。
【００４３】
また、図１１（ｂ）に示すように、銅めっき膜８の構成を合金めっきや複合めっきでなく、炭化物形成金属元素を含有するためのめっき膜１０８と銅からなるマトリックス金属２のめっき膜１２０を積層した２層めっきとしても、第一の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
さらに、銅めっき膜８の構成を、マトリックス金属２に対して濡性のよい金属をベースとし、そこに炭化物を形成するV,Cr,Mnなどの金属元素を添加した銅めっき膜８としても、銅めっき膜８の膜厚をマトリックス金属２の電気伝導度を低下させない程度に薄くすれば、図４と同様の効果が得られる。
【００４５】
<第三の実施形態>
図５は、本発明によるセラミック配線基板２００の一実施形態を示す。なお、第一の実施形態と同様の構成については当該第一の実施形態と同様の図面番号を使用している。図５において、板厚が0.5〜1.0mmの窒化アルミ絶縁基板３０の両面に、複数層の炭素繊維３の織布１（１ａ、１ｂ、１ｃ）と銅からなるマトリックス金属２（２ａ、２ｂ、２ｃ）から成り両者の界面に薄い炭化物層４（図示しない）を均一に形成した低熱膨張・高導電性の複合材料１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ）が、それぞれチタン入り銀ろう材３１，３２，３３で接合されている。一方の面の複合材料１００ａ、１００ｂの板は、半導体デバイスを搭載して回路を形成するために複数の島状に分かれた状態で接合されており、他方の面の複合材料１００ｃの板はそり変形を防止するために熱応力バランスが採れる形状で接合している。具体的には、複合材料１００ｃの板の面積を複合材料１００ａ及び１００ｂの板の面積の和と同じ面積にすることや、複合材料１００ｃを複合材料１００ａ及び１００ｂと対向する領域に設けるなどが考えられる。
【００４６】
複合材料１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ）は、弾性率が450〜600GPaのＰＡＮ系の炭素繊維３からなる織布１を50〜60vol％含有させて4〜6ppm/Kに調整したものを用いており、厚さは0.5〜1mmと厚い板厚で構成している。
【００４７】
以上のように、熱膨張係数が低減された複合材料１００を使用できるので、熱応力による破壊を抑制したセラミックス配線基盤２００を提供することが可能となる。
【００４８】
<第四の実施形態>
図６は、図５のセラミック配線基板２００の製造方法の一実施形態を示す。なお、第三の実施形態と同様の構成については当該第三の実施形態と同様の図面番号を記してある。図６において、試料ステージ４５にセラミック冶具４３、複合材料１００ｃ、チタン入り銀ろう箔３３、セラミック絶縁基板３０、チタン入り銀ろう箔３１、３２、複合材料１００ａ、１００ｂ、セラミック冶具４３（複数のセラミックス配線基板２００を積層させる場合には以下この繰り返し。）の順で複数層積層し、上部のプレス機等の加圧機構４８によって押え板４６を介して積層体に圧縮圧力を加え、不活性あるいは真空雰囲気中でヒーター４７により全体を700〜850℃に加熱してチタン入り銀ろう材を溶融して接合し、セラミック配線基板を製造している。
【００４９】
本実施形態によれば、強度が低く低熱膨張で高熱伝導の窒化アルミセラミック基板に、熱膨張率を同等に低くした導体パターンをチタン入り銀ろうで強固に接合しているため、大きな温度変動が加わる環境に置かれてもセラミック配線基板内に大きな熱応力が発生することが無く、セラミック配線基板が損傷することが無い。また、複合材料１００の内部で炭素繊維３とマトリックス金属２の銅が炭化物層４を介して強固に接着しているため、厳しい繰り返しの温度変動が加わった場合でも両者の界面に剥離が生じ難く、長期信頼性の高いセラミック配線基板を提供できるのである。さらに、導体パターンとセラミック基板の熱膨張率が近いため、導体パターンの厚さを厚くしても熱応力の問題は発生せず、導体パターンの上下方向にマトリックス金属２の銅が繋がった構造をしているため、放熱性に優れかつパターン方向の電気伝導性に優れた高性能で高信頼なセラミック配線基板を提供できるのである。
【００５０】
また製造工程では、多数組の部材を積層して加熱・加圧することで多数個のセラミック配線基板を一括して製造でき、残留熱歪も小さいため、高精度のセラミック配線基板を生産性良くかつ歩留まり良く製造できるという効果もあるのである。
【００５１】
<第五の実施形態>
図７は、本発明による高温デバイスを搭載したパワーモジュール３００の実装構造の一実施形態を示す。なお、第三の実施形態と同様の構成については当該第三の実施形態で使用した図面番号と同様の図面番号を記してある。
【００５２】
図７（ａ）に当該パワーモジュール３００の断面構造を、図７（ｂ）に当該パワーモジュール３００の上面図を示す。図７において、窒化アルミ絶縁基板３０の片面に複合材料１００でできたソース電極パターン１１０ｂ、ドレイン電極パターン１１０ａ、ゲート電極パターン１１０ｄが接合され、反対の面にベタパターン１１０ｃが接合されてセラミック配線基板２１０が構成されている。セラミック配線基板２１０のソース電極パター１１０ｂ、ドレイン電極パターン１１０ａ、ゲート電極パターン１１０ｄにはそれぞれNi/Auめっきが施されている。そのドレイン電極パターン１１０ａ上には、SiC製のMOS-FETデバイス５６とSBDデバイス６１が焼結銀６５で接合されている。各デバイスの裏面電極５７、６２および回路面のソース電極５８、ゲート電極５９，表電極６３の最表面にはAu膜が形成されている。MOS-FETデバイス５６のソース電極５８とSBDデバイス６１の表電極６３は、複合材料１００からなるリード部材１１０ｅで結線されている。リード部材１１０ｅの表面はNi/Auめっきが施されており、各電極（５８，６３）とはそれぞれ焼結銀６６０、６６で接合されている。MOS-FETデバイス５６のゲート電極５９とセラミック基板のゲート電極パターン１１０ｄとは、銅線に銀めっきした100μmφの複合ワイヤ６８で加熱超音波ボンディングにより結線している。また、リード部材５５とソース電極パターン１１０ｂとは、銅線に銀めっきした400μmφの複数本の複合ワイヤ６７で加熱超音波ボンディングにより結線している。
【００５３】
以上のように、熱膨張係数が低減された複合材料１００を使用できるので、熱応力による破壊を抑制したパワーモジュール３００を提供することが可能となる。
【００５４】
<第六の実施形態>
図８は、図７のパワーモジュール３００を容器に収納した本発明による半導体装置４００の断面構造の一実施形態を示す。なお、第五の実施形態と同様の構成については当該第五の実施形態に用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。図８において、炭素繊維３の織布１とマトリックス金属２の銅から成る複合材料１００で構成した放熱板７２には、バスバー７４ａ、７４ｂを埋め込んだ樹脂ケース７３が接着されている。パワーモジュール３００のセラミック絶縁基板３０下のベタパターン５３は、放熱板７２と融点が210℃以上のはんだ７５で接合されている。はんだ７５はSn-Ag-Cu系,Sn-Cu系,Sn-Sb系,Sn-Sb-Ag-Cu系,Zn-Al系、Bi-Ag系などを用いている。樹脂ケースの各バスバーと窒化アルミ絶縁基板３０の上側の電極パターン１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｄとは銅ワイヤ７６，７７による超音波ボンディングにより結線されている。樹脂ケースの内部は、封止用の耐熱性絶縁ゲル７８で充填され、空気層８０を残して樹脂蓋が樹脂ケースに接着されて気密封止されている。
【００５５】
本実施形態によれば、低熱膨張で高信頼なセラミック配線基板に同等の低熱膨張特性を有するSiCやGaNの半導体デバイスを焼結銀で接合しており、複数の半導体デバイスの上側の大電流が流れる電極同士を半導体デバイスやセラミック配線基板と同等の低熱膨張特性を有するリード部材を用いて焼結銀で接合して実装しているため、半導体デバイスの上下電極接合部には大きな温度変動が加わった場合でも発生する熱応力は小さく、急激な温度変動や繰り返しの温度変動が加わった場合でも内部熱応力による接合部や半導体デバイスの損傷が無く、高信頼なパワーモジュール３００を提供できる。また、ソース電極パターンとリード部材間はフレキシブルな銀めっき銅ワイヤの加熱超音波接合で結線し、さらに接合部を焼結銀で補強しているため、セラミック配線基板と銀めっき銅ワイヤ間の熱膨張差が大きくてもワイヤの熱歪によって半導体デバイスの電極接合部に大きな外力を加えることが無い。そのため、銀めっき銅ワイヤ自身の接合部は加熱と超音波による強固な接合と焼結銀の補強によって内部熱応力による亀裂の発生が抑制されるため、ワイヤ接合部が損傷することが無い。また、ゲート電極パターンとMOS-FETデバイスのゲート電極間を結線している銀めっき銅ワイヤの接合部も、ワイヤ径が細いためさらに損傷しづらい。したがって、高信頼な高温デバイス対応のパワーモジュール３００を提供できるのである。また、このパワーモジュール３００を搭載した半導体装置４００では、柔軟性が高く電気絶縁性の高いゲルで封止した構造においても高い信頼性を示すため、電鉄向けや風力発電向けの電流制御装置として高耐圧・大電流・高信頼な半導体装置４００を提供できるのである。
【００５６】
<第七の実施形態>
図９（ａ）は、本発明による半導体装置４１０の上面図の図９（ｂ）をＡ−Ａ’断面で切断した断面構造を示す図である。図９（ａ）において、SiCやGaNなどの高温デバイス８１の上側には主電極８２と制御電極８３が形成され、高温デバイス８１の下側には全面にメタライズされた裏面電極８４が形成されている。いずれの電極（８２、８３，８４）も最表面にはAu膜が形成されている。高温デバイス８１の主電極８２と裏面電極８４には、炭素繊維３の織布１とマトリックス金属２の銅からなり界面に炭化物層４（図示しない）が形成された複合材料１００で構成され、表面にNi/Auめっき処理を施した中間部材８５，８６、８７が350℃以上の融点を持つSn-高Sb系やZn-Al系の鉛フリーはんだあるいは焼結銀などの接合材９２，９３，９５で接合されている。裏面電極８４側の中間部材８５は銅製のダイパッド８８に350℃以上の融点を持つSn-高Sb系やZn-Al系の鉛フリーはんだあるいは焼結銀などの接合材９２で接合されている。また、上側の主電極８２と制御電極８３にそれぞれ接合されている中間部材８６，８７は、リード端子９０，９１と350℃以上の融点を持つSn-高Sb系やZn-Al系の鉛フリーはんだあるいは焼結銀などの接合材９４，９６で接合されている。また、熱硬化性の耐熱封止樹脂９７が、ダイパッド８８およびリード端子（９０、９１）の一部と、高温デバイス８１や中間部材８５、接合部（９１、９２、９３、９４、９５、９６）の全体を覆うように封止している。
【００５７】
本実施形態によれば、銅のリードフレーム部材に低熱膨張で高導電性の高信頼な複合材料を中間部材として高温デバイスを搭載・配線接続しているため、高温デバイスの電極接合部が熱疲労で損傷することを抑制でき、また熱応力によって高温デバイスが損傷することを抑制できるため、高い使用温度で繰り返し使われても電極接合部や高温デバイスの損傷を著しく減少することができ、製品寿命の長い半導体装置を提供できるのである。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行なうことができるものである。例えば、前記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  織布
２  マトリックス金属
３  炭素繊維
４  炭化物層
５、８  銅めっき膜
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  複合材料
【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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