(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、安定した性能を長期にわたって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】絶縁体層２と、該絶縁体層２の両側に配置された高熱伝導体層３、４とを備え、前記絶縁体層２が、接合層５と、前記高熱伝導体層３、４に突き出されているダイヤモンド粒子６とを有し、前記高熱伝導体層３、４と前記絶縁体層２との界面における前記ダイヤモンド粒子６の投影面積が、前記界面の面積の２０％以上６０％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、
前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突き出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、
前記高熱伝導体層と前記絶縁体層との界面における前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、前記界面の面積の２０％以上６０％以下であることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項２】
前記絶縁性高熱伝導硬質粒子のうち、７０質量％以上が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項３】
前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径が、５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項４】
前記高熱伝導体層が、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕによって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項５】
前記高熱伝導体層の一方に、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請求項１から４のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項６】
前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることを特徴とする請求項５に記載の絶縁伝熱構造体
【請求項７】
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請求項６に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項８】
前記回路が形成された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請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項９】
前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１０】
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請求項１から９のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項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。
【請求項１２】
他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることを特徴とする請求項１１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１３】
ヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求項１１または１２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１４】
前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることを特徴とする請求項１３に記載の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などの発熱体とヒートシンク、ヒートブロックなどの放熱体との間に介装される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１６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。
【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１７及び図１８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、安定した性能を長期にわたって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。すなわち、本発明の絶縁伝熱構造体は、絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層とを備え、
前記絶縁体層が、接合層と、前記高熱伝導体層に突き出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、前記高熱伝導体層と前記絶縁体層との界面における前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、前記界面の面積の２０％以上６０％以下であることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、一方の高熱伝導体層と他方の高熱伝導体層とが絶縁性高熱伝導硬質粒子によって連通されているので、絶縁体層の絶縁性高熱伝導硬質粒子を介して一方の高熱伝導体層からの熱が、他方の高熱伝導体層に伝導され、他方の高熱伝導体層で放散される。ここで、高熱伝導体層と絶縁体層との界面における絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が界面の面積の２０％以上６０％以下であることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子が高熱伝導体層内に十分に突き出され、絶縁性高熱伝導硬質粒子と高熱伝導体層とが良好に接触していることとなる。これにより、十分な熱伝導率が得られると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の密度が高過ぎることで接合層と絶縁性高熱伝導硬質粒子との間に空隙が生じて絶縁耐圧が低下することを回避する。したがって、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る。
なお、本発明において、投影面積とは高熱伝導体層と絶縁体層との界面で切断した面のうち、絶縁性高熱伝導硬質粒子の占める面積を示している。ここで、投影面積の測定方法は、絶縁伝熱構造体の高熱伝導体層を塩化第二鉄などを用いたエッチングにより除去した後、表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）や光学顕微鏡などにより撮影し、撮影した画像の面積に対する絶縁性高熱伝導硬質粒子の占める面積を画像処理などによって求めることによって行っている。
【００１０】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子のうち、７０質量％以上が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子を含有することで、ダイヤモンド粒子の（１００）面または（１１１）面が高熱伝導体層と対向するように配置されやすくなる。これにより、ダイヤモンド粒子が高熱伝導体層に対して十分に突き出させることができる。したがって、一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層への熱伝導がより効率よく行われる。また、低熱膨張係数でかつ熱伝導率の高いダイヤモンドを用いることで、絶縁体層と一方の高熱伝導体層とを合わせた熱膨張係数を小さくでき、かつ絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層間で良好に熱を伝達することができる。
【００１１】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径が、５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径を５０μｍ以上とすることで、高熱伝導体層間の耐電圧特性の劣化を防止して高熱伝導体層間の絶縁性を維持することができる。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径を５００μｍ以下とすることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子のコストを低減し、絶縁伝熱構造体の製造コストが増大することを防止すると共に、接合層が厚くなることで全体の熱膨張率が増大し、高熱伝導体層の上面にハンダ層を介して半導体チップなどを搭載したときにハンダ層にクラックが発生することを抑制する。
なお、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径は、１００μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましい。このようにすることで、より高熱伝導体層間の耐電圧特性の劣化を防止すると共に、絶縁伝熱構造体の製造コストの増大を防止することやハンダ層にクラックが発生することができる。
【００１２】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層が、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕによって形成されていることが好ましい。
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。
【００１３】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層の一方に、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が好ましい。
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。
【００１４】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることが好ましい。
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。
【００１５】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、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が好ましい。
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。
【００１６】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された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が好ましい。
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。
【００１７】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることが好ましい。
この発明によれば、放熱体によって効率よく放熱することができる。
【００１８】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、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が好ましい。
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。
【００１９】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上記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、半導体チップの生じる熱が絶縁伝熱構造体を介して放熱され、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることが好ましい。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁体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。
【００２１】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
【００２２】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
【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、高熱伝導体層と絶縁体層との界面における絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、界面の面積の２０％以上６０％以下であることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子が高熱伝導体層内に十分に突き出されると共に絶縁性高熱伝導硬質粒子と高熱伝導体層とが十分に接触していることとなる。これにより、一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層への熱の伝導が効率よく行われる。
【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、絶縁体層２と、絶縁体層２の両側に配置される高熱伝導体層３、４とを備えている。
【００２５】
絶縁体層２は、高熱伝導体層３、４間を一体に接続する絶縁性及び耐熱性を有する接合層５と、接合層５に混入または貼着される絶縁性、高熱伝導性及び硬質性を有するダイヤモンド粒子（絶縁性高熱伝導硬質粒子）６とによって構成され、ダイヤモンド粒子６の高熱伝導体層３、４側に位置している部分が、高熱伝導体層３、４内に突き出されている。
【００２６】
接合層５は、厚さ７０μｍのポリイミド製の両面粘着テープによって構成されており、絶縁抵抗が１０１０Ω・ｃｍ以上、融点が４５０〜６００℃（連続使用温度２５０℃以上に耐えることが可能な温度（ハンダの融点温度以上））となっている。なお、接合層５の厚さは、ダイヤモンド粒子６の粒径や所望する絶縁耐圧の値によって適宜変更してもよい。
【００２７】
ダイヤモンド粒子６は、絶縁抵抗が接合層５と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３より高い１５０Ｗ／ｍＫ以上であると共に硬度が高熱伝導体層３、４の硬さの１０倍以上（高熱伝導体層３、４をＨｖ５０〜１００の純金属で構成した場合にはＨｖ５００〜１０００の硬さ）である。また、ダイヤモンド粒子６は、その粒径が１００μｍ以上３００μｍ以下であると共に平均粒径が２００μｍとなっており、図２に示す切頭八面体形状を有している。
【００２８】
このダイヤモンド粒子６は、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層３、４を配置し、高熱伝導体層３、４を熱間圧着したときに、高熱伝導体層３、４側に位置している部分が高熱伝導体層３、４内に突き出される。このとき、ダイヤモンド粒子６が切頭八面体形状を有することで、その（１００）面（図２に示す面Ａ）または（１１１）面（図２に示す面Ｂ）が高熱伝導体層３、４と対向するように配置される。また、高熱伝導体層３、４と絶縁体層２との界面におけるダイヤモンド粒子６の投影面積が、界面の面積の２０％以上６０％以下となっており、ダイヤモンド粒子６と高熱伝導体層３、４との接触面積が、界面の面積の３０％以上９０％以下となっている。
ここで、本明細書において、投影面積とは高熱伝導体層３、４と絶縁体層２との界面で切断した面のうち、ダイヤモンド粒子６の占める面積を示している。また、投影面積の測定方法は、絶縁伝熱構造体１の高熱伝導体層３、４を塩化第二鉄などを用いたエッチングにより除去した後、表面をＳＥＭや光学顕微鏡などにより撮影し、撮影した画像の面積に対するダイヤモンド粒子６の占める面積を画像処理などによって求めることによって行っている。
【００２９】
高熱伝導体層３、４は、それぞれ電気伝導性を有するＡｌの薄板によって構成されている。この高熱伝導体層３、４は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上の金属を材料として薄板状などに形成されている。また、高熱伝導体層３、４は、絶縁体層２の両側に位置した状態でプレスなどによって加圧することにより、絶縁体層２の両側に積層された状態で配置される。この高熱伝導体層３、４は、ダイヤモンド粒子６よりも軟らかい材料によって形成されており、絶縁体層２と対向する面にダイヤモンド粒子６の一部が突き出されている。
【００３０】
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説明する。まず、図３に示すように、ポリイミド製の両面粘着テープからなる接合層５の両面に所定量のダイヤモンドのダイヤモンド粒子６を貼着して絶縁体層２を構成する。
次に、絶縁体層２の両側にＡｌ（９９．９９％）製の薄板からなる高熱伝導体層３、４を配置し、この状態でプレスなどにより矢印方向から両高熱伝導体層３、４を、例えば１８０℃に加熱した熱間圧延することで、両高熱伝導体層３、４の間に接合層５を介在させた状態で一体に接合する。
このとき、ダイヤモンド粒子６が切頭八面体形状を有しているため、この切頭八面体のダイヤモンドの平面である（１００）面または（１１１）面が高熱伝導体層３、４と対向するようになる。そして、この状態で高熱伝導体層３、４内に突き出させる。
以上のようにして、図４に示すように、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層３、４を積層した状態で配置した絶縁伝熱構造体１が製造される。
また、ダイヤモンド粒子６の表面をＣｕメッキまたはＮｉメッキで被覆し、ダイヤモンド粒子６と高熱伝導体層３、４との接合性を高めてもよい。
【００３１】
そして、上述のように構成した絶縁伝熱構造体１の一方の高熱伝導体層３を発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体層４を放熱体側として使用することにより、一方の高熱伝導体層３側の熱が絶縁体層２のダイヤモンド粒子６を介して他方の高熱伝導体層４側に伝導されて放散されることになる。
【００３２】
このように構成された絶縁伝熱構造体１によれば、高熱伝導体層３、４と絶縁体層２との界面におけるダイヤモンド粒子６の投影面積が、界面の面積の２０％以上６０％以下であることで、ダイヤモンド粒子６が高熱伝導体層３、４内に十分に突き出してダイヤモンド粒子６と高熱伝導体層３、４とが十分に接触していることとなる。これにより、高熱伝導体層３、４間の熱の伝導が効率よく行われる。
ここで、ダイヤモンド粒子６が切頭八面体形状を有することで、平面となっている（１００）面または（１１１）面が、突き出す際に高熱伝導体層３、４と対向しやすくなる。これにより、ダイヤモンド粒子６が高熱伝導体層３、４に対して十分に突き出しやすくなる。
【００３３】
次に、第２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５においては、図１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２の実施形態におけるパワーモジュール用基板１０は、絶縁体層２の上面側に一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂであるＡｌなどからなる回路層が分割して配置され、絶縁体層２の下面側に他方の高熱伝導体層４であるＡｌなどからなる薄板が配置されている。そして、これらを加熱、加圧することにより両高熱伝導体層３ａ、３ｂ、４を絶縁体層２の接合層５を介して一体的に接合し、絶縁体層２のダイヤモンド粒子６の一部を両高熱伝導体層３ａ、３ｂ、４内に突き出させた構成とされている。
【００３４】
このように構成されたパワーモジュール用基板１０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、４間の熱の伝導が効率よく行われる。
【００３５】
次に、第３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３の実施形態におけるパワーモジュール用基板１５は、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４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。
【００３６】
このように構成されたパワーモジュール用基板１５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及び高熱伝導体層４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したときに、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。
【００３７】
次に、第４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７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４の実施形態におけるパワーモジュール用基板２０は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして互いに厚さの異なるＣｕ製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌなどからなる薄板が配置されている。
【００３８】
このように構成されたパワーモジュール用基板２０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。
【００３９】
次に、第５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８においては、図７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４の実施形態におけるパワーモジュール用基板２５は、上述した第３の実施形態と同様に、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４の表面がＮｉメッキ層１６で被覆されている。
【００４０】
このように構成されたパワーモジュール用基板２５においても、上述した第４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及び高熱伝導体層４の表面をＮｉメッキ層１６で被覆することによって、上述した第３の実施形態と同様に、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。
【００４１】
次に、第６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９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６の実施形態におけるパワーモジュール用基板３０は、一方の高熱伝導体層３としてＣｕ製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートブロックが配置されている。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。
【００４２】
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４をヒートブロックとして構成することで、半導体チップ３２で生じた熱を高熱伝導体層４で効率よく放熱することができる。
【００４３】
次に、第７の実施形態について図１０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１０においては、図９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７の実施形態におけるパワーモジュール用基板３５は、一方の高熱伝導体層３としてＣｕ製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートシンクが配置されている。
【００４４】
このように構成されたパワーモジュール用基板３５によれば、上述した第６の実施形態と同様の作用、効果を有する。
【００４５】
次に、第８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８の実施形態におけるパワーモジュール用基板４０は、一方の高熱伝導体層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、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートシンクが配置されている。
【００４６】
このように構成されたパワーモジュール用基板４０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４としてＡｌ製のヒートシンクを配置することで、効率よく放熱することができる。
【００４７】
次に、第９の実施形態について図１２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１２においては、図６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４５は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして表面をＮｉメッキ層１６で被覆したＣｕ製の回路層及びＣｕ製の端子部材が配置され、他方の高熱伝導体層４として表面がＮｉメッキ層１６で被覆されたＡｌなどからなる薄板が配置されている。
【００４８】
このように構成されたパワーモジュール用基板４５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される。
【００４９】
次に、第１０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１３においては、図６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５０は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして表面をＮｉメッキ層１６で被覆したＣｕ製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層４として表面をＮｉメッキ層１６で被覆したＡｌなどからなる薄板が配置されている。
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。また、高熱伝導体層４の下面に放熱板５２が接合されている。
【００５０】
このように構成されたパワーモジュール用基板５０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、半導体チップ３２と高熱伝導体層３ｂとがＡｌワイヤ５１によって電気的に接続されると共に、半導体チップ３２で生じた熱を高熱伝導体層４に効率よく伝導させて放熱板５２で効率よく放熱させる。
【００５１】
次に、第１１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においては、図１３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５５は、放熱板５２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。
【００５２】
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で生じた熱を放熱板５２及びヒートシンク５７で効率よく放熱させる。
【００５３】
次に、第１２の実施形態について図１５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１５においては、図１３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１２の実施形態におけるパワーモジュール用基板６０は、上フランジ部６１ａ及び下フランジ部６１ｂを備える付勢部材６１を有している。この付勢部材６１は、上フランジ部６１ａを高熱伝導体層３ａ、３ｂの外縁部に当接させ、下フランジ部６１ｂをヒートシンク５７に当接させて高熱伝導体層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６２を用いてヒートシンク５７に取り付けられている。
【００５４】
このように構成されたパワーモジュール用基板６０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、付勢部材６１によって高熱伝導体層４とヒートシンク５７との接触が良好となり、半導体チップ３２で生じた熱をヒートシンクで効率よく放熱させることができる。
【実施例１】
【００５５】
以下の条件の絶縁伝熱構造体を、実施例により具体的に説明する。
すべて切頭八面体形状を有する粒径２５０μｍのダイヤモンド粒子を用い、絶縁伝熱構造体を製造した。ダイヤモンド粒子は、高熱伝導体層内に突き出ている。ここで、高熱伝導体層と絶縁体層との界面におけるダイヤモンド粒子の投影面積が、高熱伝導体層と絶縁体層との界面の面積の４７．９％となっており、ダイヤモンド粒子と高熱伝導体層との接触面積が７６．５％となっている。
このように構成された絶縁伝熱構造体を用いて、レーザフラッシュ法（ＪＩＳ  Ｒ−１６１１準拠）により熱伝導率の測定を行った。この結果、絶縁伝熱構造体の熱伝導率が１５０Ｗであることを確認した。以上より、ダイヤモンド粒子と高熱伝導体層との接触面積が十分であるため、良好な熱伝導率を有することがよくわかる。
【００５６】
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、接合層は、絶縁抵抗が１０１０Ω・ｃｍ以上、融点が４５０〜６００℃であればよく、ポリイミド製の両面粘着テープに限らず、アクリル熱圧着テープやエポキシやポリイミド、ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、各種の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
ここで、接合層としてエポキシ樹脂層を用いる場合には、絶縁性高熱伝導硬質粒子の両側に高熱伝導体層を配置した後に、両高熱伝導体層にアンダーフィル法などによって溶融樹脂を充填して硬化させることによって製造する。
【００５７】
また、接合層として、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いてもよい。接合層として用いられる材料は、連続使用温度２５０℃以上に耐え得る温度（はんだの融点温度以上）のガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相が好ましい。例えば、ガラス系としては、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３系、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系、Ｐ２Ｏ５系、ＴｅＯ２系などの低軟化ガラス系が望ましく、分散するセラミック粒子としては、アルミナ、ジルコン、ムライト、チタニアなどの低熱膨張酸化物が望ましい。ここで、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いた場合には、例えばガラス粉末もしくはガラスとセラミックスとの混合粉末をペースト化し、これをダイヤモンド粒子と共にＡｌ板上に塗布する。この上にＡｌ板を載置し、加圧した後、３００℃で加熱する脱脂処理を行う。さらに、４５０℃〜６００℃でガラスを流動させることによって製造する。
【００５８】
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子を用いたが、用いたダイヤモンド粒子のうち、その７０質量％以上が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子であればよい。
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として用いられる材料は、絶縁抵抗が接合層と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であると共に硬度が高熱伝導体層よりも高いものであればよく、ダイヤモンドに限らず、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮなどを用いてもよい。ここで、上述と同様に、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３より高い１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、絶縁性高熱伝導硬質粒子の硬度が高熱伝導体層の硬さの１０倍以上（例えば、高熱伝導体層３、４をＨｖ５０〜１００の純金属で構成した場合にはＨｖ５００〜１０００の硬さ）よりも高いことが好ましい。
【００５９】
また、高熱伝導体層として用いられる材料は、絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも硬度が低く、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。ただし、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】
【００６０】
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】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す概略断面図である。
【図２】絶縁性高熱伝導硬質粒子を示す斜視図である。
【図３】絶縁性高熱伝導硬質粒子と接合層と高熱伝導体層との関係を示した説明図である。
【図４】第１の実施の形態の絶縁伝熱構造体の変形例を示した概略断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけ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３の実施形態におけ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４の実施形態におけ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５の実施形態におけ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６の実施形態におけ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７の実施形態におけ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８の実施形態におけ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９の実施形態におけ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１０の実施形態におけ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の実施形態におけ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】本発明の第１２の実施形態におけ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１６】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。
【図１８】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】
【００６２】
１  絶縁伝熱構造体
２  絶縁体層
３、４  高熱伝導体層
５  接合層
６  ダイヤモンド粒子（絶縁性高熱伝導硬質粒子）
１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０  パワーモジュール用基板
１６  Ｎｉメッキ層（ニッケルメッキ層）
３２  半導体チップ
５２  放熱板
５７  ヒートシンク
６１  付勢部材
【図１】
2006270062.tif 000003
【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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【図１８】
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