(57)【要約】【課題】  発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても長期にわたって安定した性能を発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板を提供すること。【解決手段】  純Ａｌ又はＡｌ合金からなる板状の伝熱部材４の表面の少なくとも一部に絶縁層を備えた絶縁伝熱構造体１であって、前記絶縁層２は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスが伝熱部材に直接成膜されたセラミックス層６を備えており、また、絶縁層２を構成し、積層されたセラミックス層６、７、８の熱膨張率は、前記伝熱部材４から絶縁層２の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されていることを特徴とする。を特徴とする。【選択図】  図２
2006278558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純Ａｌ又はＡｌ合金からなる板状の伝熱部材の表面の少なくとも一部に絶縁層を備えた絶縁伝熱構造体であって、
前記絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスが伝熱部材に直接成膜されたセラミックス層を備えていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁伝熱構造体であって、
前記セラミックス層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、少なくとも２以上の組成のセラミックスからなることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の絶縁伝熱構造体であって、
前記絶縁層は、前記直接成膜されたセラミックス層の表面側に、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスであって、前記セラミックス層とは組成の異なるセラミックス層が１以上積層されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項４】
請求項３記載の絶縁伝熱構造体であって、
前記積層されたセラミックス層の熱膨張率は、前記伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、
前記伝熱部材は、伝熱部材本体に放熱用フィン又は冷媒流路が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記伝熱部材は、放熱用フィン又冷媒流路を有するヒートシンクに接続されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記セラミックス層の上面には高熱伝導体層が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の絶縁伝熱構造体であって、高熱伝導体層はＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕからなることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層には半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層が分割して形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの１つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも１つの厚みと異なることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、
前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項１４】
請求項７から請求項１３のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体の前記高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関し、特に、半導体チップなどの電子部品、電子部品が実装される回路基板、絶縁伝熱構造体及びこれを備えるパワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１５に示すように、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）、ＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などからなる絶縁基板１０１の一方の面にハンダ層１０２を介して半導体チップなどの電子部品１０３を実装し、絶縁基板１０１の他方の面にハンダ層１０２を介してＡｌＳｉＣ、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕなどからなる放熱板１０４を接合し、放熱板１０４に熱伝導グリース層１０５を介してＡｌ、Ｃｕからなるヒートシンク１０６を接合したパワーモジュール用基板１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような構成のパワーモジュール用基板１００にあっては、半導体チップなどの電子部品１０３から発生する熱を放熱板１０４を介してヒートシンク１０６に伝達させて放散させることにより、半導体チップなどの電子部品１０３に作用する熱負荷を軽減させることができるものである。
【０００４】
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板１００ａにあっては、放熱板１０４とヒートシンク１０６との間に熱伝導グリース層１０５を介装させて熱伝導性を高めているが、熱伝導グリース層１０５では熱抵抗を充分に低減させることができず、半導体チップなどの電子部品１０３の熱を効率良く伝導させて放散させることができない。
【０００５】
一方、上記のような問題に対処するため、図１６及び図１７に示すように、絶縁基板１０１と放熱板１０４との間、及び放熱板１０４とヒートシンク１０６との間をロウ付け層１０７を介して接合することにより、熱抵抗を低減させるように構成したパワーモジュール用基板１００ｂ、１００ｃが知られている。
【０００６】
しかし、絶縁基板１０１の熱膨張率（７×１０−６／Ｋ）、放熱板１０４の熱膨張率（１０〜１５×１０−６／Ｋ）、及びヒートシンク１０６の熱膨張率（Ａｌ：２３×１０−６／Ｋ、Ｃｕ：１５〜１６×１０−６／Ｋ）がそれぞれ異なることから、ロウ付け作業後の冷却過程、実使用時の温度サイクルなどによる熱変形によって、絶縁基板１０１と放熱板１０４との間及び、放熱体とヒートシンクとの間に剥離、亀裂などが生じてしまう。
【特許文献１】特開平１−２８６３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたもので、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても長期にわたって安定した性能を発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
請求項１に係る発明は、純Ａｌ又はＡｌ合金からなる板状の伝熱部材の表面の少なくとも一部に絶縁層を備えた絶縁伝熱構造体であって、前記絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスが伝熱部材に直接成膜されたセラミックス層を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、絶縁層が純Ａｌ（純度９９.９９％以上の４Ｎ−Ａｌ）又はＡｌ合金からなる伝熱部材の表面に、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１種類のセラミックス又は２種類以上のセラミックスが混合された組成のセラミックスが直接成膜されたセラミックス層を備えているので、絶縁層から伝熱部材に熱が移動する際に熱的界面がなく、熱伝導が効率的に行なわれる。また、伝熱部材を構成する純Ａｌ又はＡｌ合金と、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮの１種類又は２種類以上のセラミックスからなるセラミックス層はともに熱伝導率が高く、高い冷却能の絶縁伝熱構造体が得られる。また、純Ａｌ又はＡｌ合金の表面に、セラミックスが直接成膜された構成とされているので、接合強度が高く、またセラミックス層を１０μｍから１００μｍと薄く形成可能であり、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、剥がれやクラックの発生が抑制され、安定した品質と性能を長期にわたって発揮することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の絶縁伝熱構造体であって、請求項１記載の絶縁伝熱構造体であって、前記セラミックス層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、少なくとも２以上の組成のセラミックスからなることを特徴とする。
この発明によれば、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、２種類以上を混合して構成された組成の複合セラミックスのセラミックス層として形成することで、熱膨張率を２．８×１０−６／Ｋ〜７．７×１０−６／Ｋ、熱伝導率を２４Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋの間で熱膨張率、熱伝導率を所望の値にして、セラミックス層内の温度分布や、その温度分布における熱膨張差による歪を抑制し、セラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれ、クラックを抑制することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の絶縁伝熱構造体であって、前記絶縁層は、前記直接成膜されたセラミックス層の表面側に、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスであって、前記セラミックス層とは組成の異なるセラミックス層が１以上積層されていることを特徴とする。
この発明によれば、絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち１又は２以上から構成されたセラミックス層が伝熱部材に直接成膜されるとともに、その表面側にＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち１又は２以上から構成され、該セラミックス層とは組成が異なるセラミックス層が積層して形成されているので、各セラミックス層に所望の値の熱伝導率や熱膨張率を持たせ、絶縁層内を移動する熱流や熱膨張を調整することにより、各セラミックス層内、及び各セラミックス層間の温度分布や歪を制御して、これらセラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれ、クラックを抑制することができる。
ことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の絶縁伝熱構造体であって、前記積層されたセラミックス層の熱膨張率は、前記伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されていることを特徴とする。
この発明によれば、積層されたセラミックス層の熱膨張率は、伝熱部材から絶縁層の表面側に向かうにつれて、順次小さくなるように構成されているので、絶縁層の表面側に発熱体が配置されて、絶縁層の表面側が高温に、伝熱部材側が表面側よりも低い温度となった場合、各セラミックス層の熱膨張率×温度で決定付けられる、各セラミックス層間に生じる熱膨張の差を小さくすることができ、絶縁層の表面側と伝熱部材側の歪を抑制して、セラミックス層、ひいては絶縁層の剥がれやクラックを抑制することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１記載から請求項４のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記伝熱部材は、伝熱部材本体に放熱用フィン又は冷媒流路が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、伝熱部材本体に放熱用フィンが形成され、又は伝熱部材本体内部に冷媒流路が形成されている。かかる構成にすることにより、セラミックス層から入った熱が、接合面等の熱伝導率が異なる熱的界面を通過することなく放熱用フィン又冷媒流路に到達し、冷媒によって熱が奪われることで効率的に冷却することができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記伝熱部材は、放熱用フィン又冷媒流路を有するヒートシンクに接続されていることを特徴とする。
この発明によれば、伝熱部材が、放熱用フィン又は冷媒流路を有するヒートシンクに接続されているので、セラミックス層から入った熱がヒートシンクから奪われ、効率的に冷却することができる。
また、ヒートシンクが伝熱部材とは別体であるため、製造するのが容易である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記セラミックス層の上面には高熱伝導体層が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、セラミックス層の上面（伝熱部材と反対側に位置する表面側の面、以下同じ）には高熱伝導体層が形成されているため、熱伝導率が高く、また、発熱体をハンダ等により容易に接合することができる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の絶縁伝熱構造体であって、高熱伝導体層はＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕからなることを特徴とする。
この発明によれば、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕの熱伝導率が高いことから、発熱体の熱が良好に伝達されることになる。また、Ａｌは、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないことから、信頼性が向上する。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項７又は請求項８に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層には半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、回路上に半導体チップを搭載して、この半導体チップで発生した熱を、半導体チップが搭載された一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層に伝導することができる。
【００１８】
請求項１０に係る発明は、請求項７から請求項９のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層が分割して形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、高熱伝導体層の１つに半導体チップを搭載して、他の高熱伝導体層と、この半導体チップの電極をワイヤなどで接続し、電子回路として使用することができる。
【００１９】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の絶縁伝熱構造体であって、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの１つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも１つの厚みと異なることを特徴とする。
この発明によれば、分割形成された高熱伝導体層の厚みを適宜変更することで、過渡熱を抑制することができる。
【００２０】
請求項１２に係る発明は、請求項７から請求項１１のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることを特徴とする。
この発明によれば、ニッケルメッキ層によってハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００２１】
請求項１３に係る発明は、請求項７から請求項１２のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体であって、前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
【００２２】
請求項１４に係る発明は、パワーモジュール用基板であって、請求項７から請求項１３のいずれかに記載の絶縁伝熱構造体の前記高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とする。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁伝熱層との間に剥離や亀裂が生じない。また、半導体チップの生じる熱が伝導されたときに、より効率よく放熱することができる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明にかかる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板によれば、伝熱部材とセラミックス層を備えた絶縁層が直接接合され界面がないので熱伝導が効率的に行なわれるとともに、セラミックス層と伝熱部材とが充分な強度で接合されているので、絶縁層の剥がれやクラックの発生が抑制され、高い信頼性と性能を得ることができる。
また、絶縁層内における熱歪の影響を小さくして、セラミックス層の剥がれやクラックの発生を抑制することができる。
また、部品点数を削減することができるので、製造工程の簡素化、製造コストの削減を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明にかかる絶縁伝熱構造体の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による絶縁伝熱構造体１は、図１に示すように、例えば、１０００系（ＪＩＳ  １０５０）等のＡｌ合金からなる板状の伝熱部材４の表面の少なくとも一部に絶縁層２を備えている。
絶縁層２は、図２に示すように、第１のセラミックス層（セラミックス層）６と、第２のセラミックス層（セラミックス層）７と、第３のセラミックス層（セラミックス層）８とを備えており、第１のセラミックス層６は、例えばＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス粒子を原料として、伝熱部材４の表面に常温衝撃固化現象によって直接成膜されている。
【００２５】
また、第１のセラミックス層６は、伝熱部材４の表面のＡｌ合金結晶粒子とＡｌ２Ｏ３粒子を粒子間結合させて直接成膜されたＡｌ２Ｏ３の結合層の表面側にさらにＡｌ２Ｏ３が粒子間結合により、例えば３０μｍの厚さに形成されている。
第２のセラミックス層７は、例えば、Ａｌ２Ｏ３とＳｉ３Ｎ４とを混合して構成された組成であり、第１のセラミックス層６の表面側に、例えば厚さ３０μｍに形成されている。
第３のセラミックス層８は、第２のセラミックス層７の表面側にＡｌ２Ｏ３とＡｌＮとを混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として、第２のセラミックス層７の表面側に、例えば厚さ４０μｍに形成されている。
このように、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮのうち、１又は２以上の組成からなるセラミックスを原料とした第１のセラミックス層６とは組成の異なるセラミックス層７、８が、２層ほど、粒子間結合により連続的に積層され、例えば厚さ１００μｍの絶縁層２として構成されている。
【００２６】
絶縁層２の厚さは、１０μｍから１００μｍとされることが好適であり、絶縁層２の厚さが１０μｍ以上とされるので、絶縁性と、外力に対する絶縁層２の機械的強度が充分に確保され、絶縁層２の厚さが１００μｍ以下とされるので、絶縁層２における良好な熱伝導と、絶縁層２の表裏間の温度差が小さくなりクラックの発生が抑制される。
【００２７】
次に、上述した構成の絶縁伝熱構造体１の製造方法について、図３にもとづいて説明する。図３（ａ）は、絶縁層２を形成するために用いるエアロゾルデポジション（以下、ＡＤという）装置の構成を示したものであり、図３（ｂ）は、伝熱部材４へのセラミックスからなる絶縁層２の形成状態を示す図である。
ＡＤ装置７０の構成は、高圧ガス供給源７１と、エアロゾル発生器７２と、成膜チャンバー７３と、高圧ガス供給源７１とエアロゾル発生器７２とを連通可能に接続する配管７４と、エアロゾル発生器７２と成膜チャンバー７３とを連通可能に接続する搬送チューブ７５とを備えており、成膜チャンバー７３内は真空ポンプ７６によって約５０Ｐａから約１ｋＰａに減圧可能とされている。成膜チャンバー７３内には、被成膜物と成膜用マスクとを載置するとともにノズル７８に対して、相対的に移動可能とするためのＸＹＺθステージが設けられている。
【００２８】
次にＡＤ装置７０の動作について説明する。
まず、高圧ガス供給源７１からエアロゾル発生器７２にガスを供給し、エアロゾル発生器７２内で微粒子とガスを攪拌、混合してエアロゾル化する。
エアロゾル発生器７２と真空ポンプ７６によって減圧された成膜チャンバー７３との間には圧力差が発生し、この圧力差によって生じるガス流れによってエアロゾル化された微粒子は搬送チューブ７５内で加速されつつノズル７８に移送され、セラミックスの微粒子は成膜チャンバー７３内にてノズル７８から被成膜物に噴射される。
噴射されたセラミックス微粒子８１は、被成膜物である伝熱部材４に高速で衝突し、新生面形成による活性効果により粒子間結合する。
【００２９】
被成膜物である伝熱部材４にノズル７８から噴射されたセラミックス粒子８１を成膜する部分の概略は、図３（ｂ）に示すように、成膜予定部を開口させたマスク７９を用いて伝熱部材４を覆い、ノズル７８に対してマスク７９と伝熱部材４とをＸＹＺθステージにより所定位置に移動させるとともに、マスク７９の開口部を通じて伝熱部材４の表面にセラミックスの粒子８１を高速にて衝突させてセラミックス層６、７，８を形成させる。
【００３０】
上記実施の形態の絶縁層２の場合、例えばＡｌ２Ｏ３からなる第１のセラミックス層６を形成した後、Ａｌ２Ｏ３粒子とＳｉ３Ｎ４粒子を混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミックス層の表面側に噴射してＡｌ２Ｏ３とＳｉ３Ｎ４からなる第２のセラミックス層７を形成し、さらにその表面側に、例えばＡｌ２Ｏ３粒子とＡｌＮ粒子を混合して構成された組成のセラミックス粒子を原料として噴射して第３の第２のセラミックス層８を形成する。
【００３１】
このようにして、Ａｌ２Ｏ３、からなるセラミックス層と、Ａｌ２Ｏ３とＳｉ３Ｎ４の組成からなるセラミックス層７と、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮの組成からなるセラミックス層８とが、順次、連続的に積層された絶縁層２が形成される。
また、各セラミックス層６、７、８の形成は、ＡＤ装置７０のエアロゾル発生器７２内のセラミックス原料を交換することによって行なわれる。
【００３２】
成膜における製造条件の概略は以下のとおりである。
被成膜物の温度                常温
成膜チャンバーの真空度        約１００〜２００Ｐａ
原料粒子径                    ０.０８〜２μｍ
原料粒子の噴射速度            約３００〜１０００ｍ／秒
このようにして、伝熱部材４の表面に直接成膜されたセラミックス層６、及びセラミックス層７、セラミックス層８は相対密度９５％以上、密着強度約２０ＭＰａ以上と優れた特性を有している。
また、成膜レートが、約５〜５０μｍ／分と高く、また、成膜可能な厚みが約０.５μｍ〜約１ｍｍと幅広いため、幅広い仕様の製品に対応可能であり、また、製造コストを削減することができる。
【００３３】
このように構成された絶縁伝熱構造体１によれば、伝熱部材４を構成するＡｌ合金と、前記絶縁層を構成するＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮを原料として構成される組成のセラミックスは熱伝導率が高いので、冷却能の高い絶縁伝熱構造体１が得られる。
また、セラミックス層６、７、８からなる絶縁層２がＡｌ合金からなる伝熱部材４の表面に、Ａｌ２Ｏ３から構成されるセラミックス層６が直接成膜されているので、絶縁層２から伝熱部材４に移動する熱に熱的界面がなく、熱伝導が効率的に行なわれる。
【００３４】
また、Ａｌ合金の表面に、第１のセラミックス層６が直接成膜されて絶縁層２が構成されているので接合強度が高く、また、約０.５μｍ〜約１ｍｍと薄く形成されるので、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても第１のセラミックス層６の表裏間の温度差が小さく、第１のセラミックス層６の剥がれやクラックの発生が抑制され、安定した品質と性能を長期にわたって発揮することができる。
【００３５】
また、第１のセラミックス６と第２のセラミックス７、第２のセラミックス７と第３のセラミックス８の間が、直接接合されているので相互間の接合強度が高く、これら相互のセラミックス層相互間の剥がれ、クラックの発生が抑制される。
また、セラミックス層相互間に熱的界面が存在しないので、これらセラミックス層相互間の熱伝導率が高く、良好な熱伝導の絶縁層が得られる。
また、上記のような構成とすることで、絶縁基板や放熱板等の構成部品が不要となり、部品点数の削減、製造工程や部品取扱の簡素化、製造コストの削減を実現することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図４において図１と同一構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
第２の実施形態におけるパワーモジュール用基板５は、伝熱部材４の表面に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上面側に純Ａｌ（純度９９.９９％以上の４Ｎ−Ａｌ）からなる高熱伝導体層が形成され、高熱伝導体層が分割され回路層３ａ、３ｂとして配置されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板５によれば、上述した第１の実施形態と同様に、高熱伝導体層３ａ、３ｂから伝熱部材４への熱伝導が効率よく行われるとともに、電気的回路を形成することができる。
【００３７】
次に、第３の実施形態について図５を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図５において図４と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第３の実施形態におけるパワーモジュール用基板１０は、高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面がニッケルメッキ層（以下、Ｎｉメッキ層と省略する）１６で被覆されている。
【００３８】
このように構成されたパワーモジュール用基板１０においても、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面をＮｉメッキ層１６で被覆することによって、ハンダを用いて他の部材と接合するときに、ハンダとの良好な接合が得られるので、高い放熱性と信頼性を確保することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００３９】
次に、第４の実施形態について図６を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図６において図４と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第４の実施形態におけるパワーモジュール用基板１５は、絶縁層２の上面側に互いに厚さの異なるＣｕ製の高熱伝導体層３ａ、３ｂがヒートブロックとして配置されている。
【００４０】
このように構成されたパワーモジュール用基板１５によれば、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、分割形成された高熱伝導体層３ａ、３ｂの厚みを適宜変更することで、過渡熱を効率よく抑制することができる。
【００４１】
次に、第５の実施形態について図７を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第４の実施形態と同様であり、上述の第４の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図７において図６と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第５の実施形態におけるパワーモジュール用基板２０は、上述した第４の実施形態のパワーモジュール用基板１５の高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面がＮｉメッキ層１６で被覆されている。
【００４２】
このように構成されたパワーモジュール用基板２０は、上述した第４の実施形態の作用、効果に加え、高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面をＮｉメッキ層１６で被覆することによって、ハンダとの良好な接合性が得られるので、上述した第３の実施形態と同様に、高い放熱性と信頼性を確保することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００４３】
次に、第６の実施形態について図８を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図８において図４と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第６の実施形態におけるパワーモジュール用基板２５は、Ａｌ合金の伝熱部材４の表面に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上側に高熱伝導体層３としてＣｕ製の回路層が配置されている。そして、高熱伝導体層３である回路層の表面にハンダ層３１を介して半導体チップ３２が実装されている。
【００４４】
このように構成されたパワーモジュール用基板２５によれば、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ３２がハンダ層３１を介して高熱伝導体層３に良好に接続されるので、半導体チップ３２で生じた熱を高熱伝導体層３を介して伝熱部材４に効率よく放熱することができる。
【００４５】
次に、第７の実施形態について図９を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第６の実施形態と同様であり、上述の第６の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図９において図８と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第７の実施形態におけるパワーモジュール用基板３０は、Ａｌ合金からなる伝熱部材４の一つ面に放熱用フィン４ａが形成されている。
【００４６】
このように構成されたパワーモジュール用基板３０によれば、上述した第６の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材４と放熱用フィン４ａの間に熱的界面がないので伝熱が妨げられることなく、伝熱部材４に伝わってきた熱が放熱用フィン４ａから効率よく放熱される。
【００４７】
次に、第８の実施形態について図１０を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第３の実施形態と同様であり、上述の第３の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１０においては図５と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第８の実施形態におけるパワーモジュール用基板３５は、Ａｌなどからなる伝熱部材４の一方の面に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上面側に高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面をＮｉメッキ層１６で被覆したＣｕ製の回路層が配置されている。また、パワーモジュール用基板３５は、Ａｌ合金からなる伝熱部材４の一つ面に放熱用フィン４ａが形成されている。
【００４８】
このように構成されたパワーモジュール用基板３５によれば、上述した第３の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材４と放熱用フィン４ａの間に熱的界面がないので伝熱が妨げられることなく、伝熱部材４に伝わってきた熱が放熱用フィン４ａから効率よく放熱される。
【００４９】
次に、第９の実施形態について図１１を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第３の実施形態と同様であり、上述の第３の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１１においては、図５と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第９の実施形態におけるパワーモジュール用基板４０は、Ａｌなどからなる伝熱部材４の一方の面に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上面側に高熱伝導体層が形成され、高熱伝導体層の表面をＮｉメッキ層１６で被覆したＣｕ製の回路層３ａ及びＣｕ製の端子部材３ｂが配置されている。
【００５０】
このように構成されたパワーモジュール用基板４０においても、上述した第３の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層３ｂを端子構造とすることで、この端子構造を介して他の電子回路などと接続が容易にできる。
【００５１】
次に、第１０の実施形態について図１２を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第６の実施形態と同様であり、上述の第６の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１２において図８と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第１０の実施形態におけるパワーモジュール用基板４５は、Ａｌなどからなる伝熱部材４の一方の面に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上面側に表面をＮｉメッキ層１６で被覆した高熱伝導体層としてのＣｕ製のヒートブロック３ａ、３ｂが配置されている。
高熱伝導体層３ａの表面には、ハンダ層３１を介して半導体チップ３２が実装されている。
【００５２】
このように構成されたパワーモジュール用基板４５においても、上述した第６の実施形態と同様の作用、効果を有し、半導体チップ３２で生じた熱を後述する第１１の実施の形態のようにすることで高熱伝導体層３ｂを介して伝熱部材４に効率よく伝熱させることができる。
【００５３】
次に、第１１の実施形態について図１３を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１０の実施形態と同様であり、上述の第１０の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１３においては、図１２と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第１１の実施形態におけるパワーモジュール用基板５０は、伝熱部材４の下面に熱伝導グリース層（図示略）を介在させた状態でネジ５６を用いてヒートシンク５７が取り付けられている。
また、高熱伝導体層３ａの表面には、ハンダ層３１を介して半導体チップ３２が実装されており、半導体チップ３２の表面と高熱伝導体層３ｂの表面とをＡｌワイヤ５１で接続されている。
【００５４】
このように構成されたパワーモジュール用基板５０においても、上述した第１０の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ３２で生じた熱がヒートシンク５７で放熱させる。
また、半導体チップ３２と高熱伝導体層３ｂとがＡｌワイヤ５１によって接続されているので、半導体チップ３２で生じた熱が高熱伝導体層３ｂを介して伝熱部材４に効率よく伝熱される。また、伝熱部材４とヒートシンク５７が個別に製作されるので、製作が容易である。
【００５５】
次に、第１２の実施形態について図１４を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１０の実施形態と同様であり、上述の第１０の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１４において図１２と同一構成要素に同一符号を付し、説明を省略する。
第１２の実施形態におけるパワーモジュール用基板５５は、伝熱部材４の本体に冷媒を通じるための冷媒流路４ｂ形成されており、高熱伝導体層３ａの表面には、ハンダ層３１を介して半導体チップ３２が実装されており、半導体チップ３２の表面と高熱伝導体層３ｂの表面とをＡｌワイヤ５１で接続されている。
【００５６】
このように構成されたパワーモジュール用基板５５においても、上述した第１１の実施形態と同様の作用、効果を有し、伝熱部材４の本体に冷媒を通じるための冷媒流路４ｂが形成されており、伝熱部材４と冷媒流路４ｂを通る冷媒との間の熱伝導に関する熱的界面がないため熱伝導が妨げられることなく、効率よく冷却される。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施の形態においては、伝熱部材４としてＡｌ合金を用いた場合について説明したが、Ａｌ合金に代えて純Ａｌを用いてもよい。
また、絶縁層２を構成するセラミックスとして、第１のセラミックス層６としてＡｌ２Ｏ３を、第２のセラミックス層７として、Ａｌ２Ｏ３とＳｉ３Ｎ４とを混合したセラミックスを、第３のセラミックス層８として、Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮとを混合したセラミックスを用いて、合計で積層数３の場合について説明したが、セラミックス層６、７、８を構成するセラミックスの組成及び積層数については、適宜必要に応じて選択することができる。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、絶縁層２の厚さを１００μｍとし、絶縁層２を構成する第１のセラミックス層６、第２のセラミックス層７、第３のセラミックス層８の厚さをそれぞれ３０μｍ、３０μｍ、４０μｍとしたが、絶縁層２の厚さ、絶縁層２を構成する各セラミックス層の厚さについては任意の厚さに設定可能である。
また、第１のセラミックス層６、第２のセラミックス層７、第３のセラミックス層８の順に、絶縁層２の熱膨張率が順次小さくなる構成について説明したが、熱膨張率に関する各セラミックス層の配置を順次小さくする構成としなくてもよい。
また、第１のセラミックス層６、第２のセラミックス層７第３のセラミックス層８の配置順序を、熱伝導率や、熱膨張率と熱伝導率の双方により制御してもよい。
【００５９】
また、セラミックス層６を直接成膜により形成する方法，第１のセラミックス層６と第２のセラミックス層７、第２のセラミックス層７と第３のセラミックス層８とを直接接合する方法として、ＡＤ法を用いる場合について説明したが、プラズマ溶射やレーザ溶射を用いて直接成膜又は直接接合させてもよく、また、積層するセラミックス層ごとに、ＡＤ法、プラズマ溶射、レーザ溶射を任意に変更して、複数の成膜方法を適用することによってセラミックス層６、７、８を形成させてもよい。
【００６０】
また、上記実施の形態における伝熱部材４に形成される放熱用フィン、冷媒流路の有無、高伝熱体層３、端子部材３ｂ、ニッケルメッキ層１６、ハンダ層３１、半導体チップ３２、ヒートシンク５７、取付けネジ５６等に関する組合せについては、自在に選択可能である。
【００６１】
また、高熱伝導体層３として用いられる材料は、Ｃｕ、純Ａｌのほか、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上であればよく、ビッカース硬さがＨｖ５０〜１００の純金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなど）や、それらの合金などを用いることができる。また、これらに限定することなく、同様の特性を有する純金属、合金などを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明にかかるパワーモジュール用基板によれば、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱し、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができ、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る絶縁層の構造を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）本発明の第１の実施形態に係る絶縁伝熱構造体の製造工程の概略を示す図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態に係る絶縁層の成膜工程の概略を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第７の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の第１１の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の第１１の実施形態に係る絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１５】従来のパワーモジュール用基板の一例を示した概略断面図である。
【図１６】従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。
【図１７】従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  絶縁伝熱構造体
２  絶縁層
３、３ａ、３ｂ  高熱伝導体層
４  伝熱部材
４ａ  放熱用フィン
４ｂ  冷媒流路
５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５  パワーモジュール用基板
６、７、８  セラミックス層
１６  Ｎｉメッキ層（ニッケルメッキ層）
３２  半導体チップ
５７  ヒートシンク
【図１】
2006278558.tif 000003
【図２】
2006278558.tif 000004
【図３】
2006278558.tif 000005
【図４】
2006278558.tif 000006
【図５】
2006278558.tif 000007
【図６】
2006278558.tif 000008
【図７】
2006278558.tif 000009
【図８】
2006278558.tif 000010
【図９】
2006278558.tif 000011
【図１０】
2006278558.tif 000012
【図１１】
2006278558.tif 000013
【図１２】
2006278558.tif 000014
【図１３】
2006278558.tif 000015
【図１４】
2006278558.tif 000016
【図１５】
2006278558.tif 000017
【図１６】
2006278558.tif 000018
【図１７】
2006278558.tif 000019