(57)【要約】【課題】放熱性能及び耐久性の向上を実現可能なパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板１は、絶縁回路基板１１と、ヒートシンク２０と、拘束部材３０とを供えている。絶縁回路基板１０は、パワーデバイス７が実装される配線層１１と、配線層１２の裏面に接合された絶縁基板１２と、絶縁基板１２の裏面に接合された放熱層１２とからなる。ヒートシンク２０は、絶縁回路基板１０の裏面側に接合され、内部に冷却媒体２９を流通させる冷媒流路２０ａが形成されており、パワーデバイス７の熱を放冷可能とされている。拘束部材３０は、ヒートシンク２０の裏面に接合され、絶縁基板１２とヒートシンク２０との線膨張係数の差に起因するヒートシンク２０の反りを拘束する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、
該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、
該絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、
該ヒートシンクの他方の面に接合され、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には放熱層が備えられていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記拘束部材は前記ヒートシンクの膨張を拘束可能な剛性を有することを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記拘束部材は、前記絶縁基板に対して前記ヒートシンクを間に挟んで対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記拘束部材は前記絶縁基板と同一材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記拘束部材は、アルミナ、電磁軟鉄又はインバー合金からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
一方の面に第１パワーデバイスが実装される第１配線層と、該第１配線層の他方の面に接合された第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の他方の面側に接合された前記ヒートシンクとを備え、
前記拘束部材は、該ヒートシンクの他方の面側に接合された第２絶縁基板と、該第２絶縁基板の他方の面に接合され、他方の面に第２パワーデバイスが実装される第２配線層とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
【請求項８】
前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、放熱層が備えられていることを特徴とする請求項７記載のパワーモジュール用基板。
【請求項９】
パワーデバイスが実装される配線層と、絶縁基板と、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを少なくとも用意し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材をこの順番で積層して積層体とする積層工程と、
該積層体を焼成し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材を接合する接合工程とを備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記積層体は、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することを特徴とする請求項９記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記積層体は、少なくとも第１配線層と第１絶縁基板と前記ヒートシンクと第２絶縁基板と第２配線層とがこの順番で積層されたものであることを特徴とする請求項９又は１０記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記積層体は、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することを特徴とする請求項１１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来のパワーモジュール用基板が開示されている。このパワーモジュール用基板は、絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の他方の面に接合された放熱板と、この放熱板の他方の面に接合されたヒートシンクとからなる。
【０００３】
絶縁回路基板は、アルミニウム製の配線層と、配線層の他方の面に接合された絶縁性セラミック製の絶縁基板と、絶縁基板の他方の面に接合されたアルミニウム製の放熱層とからなる。配線層には、このパワーモジュール用基板が使用される際、半導体チップ等のパワーデバイスが実装される。
【０００４】
放熱板は厚さが３〜１０ｍｍ程度のアルミニウム合金製の板材である。絶縁回路基板と放熱板とは、絶縁回路基板の放熱層が放熱板の上面に直接ロウ付けされることにより接合されている。また、放熱板とヒートシンクとは、複数本の固定ねじによって接合されている。
【０００５】
一般的なヒートシンクはアルミニウムや銅の合金からなる。このヒートシンクは、内部に水等の冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されており、パワーデバイスの熱を放冷することが可能とされている。より詳しくは、ヒートシンクは横長の矩形断面をなしており、その内部には横長の矩形断面をなす冷媒流路が形成されている。冷媒流路内には上下方向に延びる複数のフィンが形成され、これらによって冷却媒体と接触する冷媒流路の内面積が増やされている。
【０００６】
このような構成である従来のパワーモジュール用基板は、配線層の一方の面にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば、電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を配線層、絶縁基板、放熱層及び放熱板を介してヒートシンクに伝え、冷媒流路内を流通する冷却媒体によりその熱を放冷する。
【０００７】
この際、放熱板やヒートシンクは、パワーデバイスの発熱により高温となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、比較的熱伝導のよいアルミニウム合金等からなる放熱板やヒートシンクは、線膨張係数が比較的大きい（アルミニウム合金の線膨張係数は、約２３×１０-6／°Ｃ）ため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、セラミックからなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく（窒化アルミニウムの線膨張係数は、約３．２×１０-6／°Ｃ）、パワーデバイスの発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。
【０００８】
このため、何も対策を講じなければ、放熱板及びヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差により、放熱板や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、絶縁回路基板の絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、耐久性の低下を生じてしまう。この点、このパワーモジュール用基板では、比較的厚い放熱板を採用すること等により、放熱板やヒートシンクの反りを抑制し、これによって耐久性の向上を図っている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−８６７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記従来のパワーモジュール用基板では、絶縁基板とヒートシンクとの間に厚い放熱板を介在させなければならず、これによって熱伝導の経路が長くなり、放熱性能の向上が難しい。
【００１１】
かといって、放熱板をなくし、絶縁基板を直接に又は放熱層を介してヒートシンクに接合するとすれば、厚い放熱板による反り抑制の効果がなくなるので、ヒートシンクに反りが生じ、耐久性の低下の問題が生じてしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、放熱性能及び耐久性の向上を実現可能なパワーモジュール用基板を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板は、一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、
該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、
該絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、
該ヒートシンクの他方の面に接合され、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
このような構成である本発明のパワーモジュール用基板は、配線層の一方の面に半導体チップ等のパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を少なくとも配線層及び絶縁基板を介してヒートシンクに伝え、冷媒流路内を流通する冷却媒体によりその熱を放冷する。
【００１５】
この際、ヒートシンクは、パワーデバイスの発熱により高温（例えば、１５０°Ｃ程度）となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、ヒートシンクが比較的熱伝導のよいアルミニウム等からなる場合には、線膨張係数が比較的大きいため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、絶縁性セラミック等の絶縁材料からなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく、パワーデバイスの発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。本発明のパワーモジュール用基板は、この使用時において、絶縁基板とヒートシンクとのこの線膨張係数の差に起因してヒートシンクが絶縁基板の拘束の下で伸びようとしても、ヒートシンクの他方の面に接合された拘束部材がヒートシンクの反りを拘束し、その結果として、ヒートシンクの反りが抑制される。
【００１６】
なお、本発明のパワーモジュール用基板は、低温環境下に長時間放置された時において、線膨張係数の差に起因してヒートシンクが絶縁基板の拘束の下で縮もうとしても、その拘束部材がヒートシンクの逆方向の反りを拘束し、その結果として、ヒートシンクの反りが抑制される。例えば、このパワーモジュール用基板がハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用され、その移動体が氷点下の極低温（例えば、−５０°Ｃ程度）の屋外に長時間放置されるような場合が相当する。
【００１７】
このため、このパワーモジュール用基板は、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難く、高い耐久性を発揮することができる。
【００１８】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、従来のパワーモジュール用基板のように、絶縁基板とヒートシンクとの間に厚い放熱板を介在させていないことから、熱伝導の経路を短くすることができ、高い放熱性能を発揮することもできる。
【００１９】
したがって、本発明のパワーモジュール用基板は、放熱性能及び耐久性の向上を実現することができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュール用基板は、配線層と絶縁基板とヒートシンクと拘束部材とを備えている。配線層及び絶縁基板は従来公知の絶縁回路基板であってもよい。従来公知の絶縁回路基板は、配線層と、配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、絶縁基板の他方の面に接合された放熱層とからなる。
【００２１】
配線層は、一方の面に半導体チップ等のパワーデバイスがワイヤーボンディング等の手段により実装されるものである。この配線層は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。
【００２２】
絶縁基板は配線層の他方の面に接合されている。この絶縁基板は、厚さ１〜３ｍｍ程度の薄い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等の絶縁性セラミックからなる板により構成され得る。好適な熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム製のものであることが好ましい。
【００２３】
ヒートシンクは、絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されてパワーデバイスの熱を放冷するものである。このヒートシンクは、アルミニウムや銅の合金からなり得る他、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック、炭化ケイ素とアルミニウム系金属との複合材料（ＡｌＳｉＣ：Aluminum Silicon Carbide）、インバー（Invar）合金（ニッケルと鉄を主成分とした合金）、インバー合金とアルミニウム系金属との複合材料、銅とモリブデンとの合金、酸化銅と銅との複合材料、金属含浸炭素複合材（ＭＩＣＣ：Metal Impregnated Carbon Composites）等からなり得る。熱伝導性が良く、低膨張の材料からなることが好ましい。
【００２４】
拘束部材は、ヒートシンクの他方の面に接合され、絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束するものであれば、どのようなものであってもよい。拘束部材を構成する材料としては、少なくとも線膨張係数がヒートシンクを構成する材料よりも小さいことが好ましく、絶縁基板と同程度であることがより好ましい。
【００２５】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には放熱層が備えられていることが好ましい。すなわち、配線層、絶縁基板及び放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することが好ましい。
【００２６】
この場合、放熱層とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、絶縁基板より熱伝導率が高い放熱層であれば、パワーデバイスから伝わる熱が放熱層において面方向に拡散されるので、放熱性能を一層向上させることができる。
【００２７】
放熱層は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。
【００２８】
従来公知の絶縁回路基板としては、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum、登録商標）基板、ＤＢＣ（Direct Bonded Cupper、登録商標）基板等を採用することが可能である。
【００２９】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は前記ヒートシンクの膨張を拘束可能な剛性を有することが好ましい。
【００３０】
この場合、拘束部材は、ヒートシンクが反ろうとする際に作用するヒートシンクの他方の面を伸ばそうとする力に対して、より確実に耐えることができる。
【００３１】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は、前記絶縁基板に対して前記ヒートシンクを間に挟んで対称に配置されていることが好ましい。
【００３２】
この場合、ヒートシンクが熱膨張又は熱収縮しようとする際に、一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合された拘束部材とによって、一方の面と他方の面とがほぼ均等に引っ張られたり、押し付けられたりするようになる。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りを確実に抑制することができる。
【００３３】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は前記絶縁基板と同一材料からなり得る。
【００３４】
この場合、拘束部材は絶縁基板と線膨張係数やヤング率が同じ材料からなる。このため、ヒートシンクが熱膨張又は熱収縮しようとする際に、一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合された拘束部材とによって、一方の面と他方の面とがほぼ均等に引っ張られたり、押し付けられたりする。例えば、拘束部材として、絶縁基板自体を採用すれば、一方の面と他方の面とが均等に引っ張られたり、押し付けられたりする。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りを一層確実に抑制することができる。
【００３５】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は、アルミナ、電磁軟鉄又はインバー合金からなり得る。これらの材料は、線膨張係数が比較的低く、ヤング率が比較的高いので、これらの材料を採用すれば、本発明の効果を顕著に奏することができる。
【００３６】
本発明のパワーモジュール用基板は、一方の面に第１パワーデバイスが実装される第１配線層と、該第１配線層の他方の面に接合された第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の他方の面側に接合された前記ヒートシンクとを備え、
前記拘束部材は、該ヒートシンクの他方の面側に接合された第２絶縁基板と、該第２絶縁基板の他方の面に接合され、他方の面に第２パワーデバイスが実装される第２配線層とを有し得る。
【００３７】
この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンクの他方の面にもパワーデバイスを実装することが可能となる。このため、パワーモジュールの小型化が可能となる。
【００３８】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、放熱層が備えられていることが好ましい。すなわち、ヒートシンクの他方の面側においても、ヒートシンクの一方の面側と同様、第２配線層、第２絶縁基板及び第２放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することが好ましい。
【００３９】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、パワーデバイスが実装される配線層と、絶縁基板と、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを少なくとも用意し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材をこの順番で積層して積層体とする積層工程と、
該積層体を焼成し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材を接合する接合工程とを備えていることを特徴とする。
【００４０】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、積層工程と接合工程とを備える。
【００４１】
積層工程では、まず配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材を少なくとも用意する。次に、少なくとも配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材をこの順番で積層して積層体とする。この際、上記各部材の間には、例えばロウ付け材料等の接合材料を介在させることができる。また、積層体を治具等により挟持することが好ましい。
【００４２】
接合工程では、積層体を焼成し、少なくとも配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材を接合する。この際、加熱温度は、各部材を構成する材料や接合材料によって設定されるが、ロウ付けの場合には６００°Ｃ程度である。
【００４３】
このような手順により製造されるパワーモジュール用基板では、接合工程において積層体が焼成される際に、積層体を構成する配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材が各々熱膨張しようとする傾向を示す。特に、ヒートシンクが比較的熱伝導のよいアルミニウム等からなる場合には、線膨張係数が比較的大きいため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、絶縁性セラミック等の絶縁材料からなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく、焼成される際にもそれほど熱膨張する傾向がない。
【００４４】
このため、何も対策を講じなければ、積層体の焼成中に、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差が生じたまま、配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材が接合されてしまう。そして、積層体の焼成終了後に、積層体の温度が常温まで低下すれば、高温により熱膨張していたヒートシンクが収縮するが、この際、ヒートシンクの一方の面は絶縁基板と接合されているので、収縮が拘束され、ヒートシンクの他方の面側に反ろうとする傾向を示す。このため、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、生産収率の低下を生じてしまう。
【００４５】
この点、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束する拘束部材をヒートシンクの他方の面に接合するものである。このため、積層体の焼成終了後に積層体の温度が常温まで低下して、ヒートシンクが上記のように反ろうとする際、拘束部材がヒートシンクの他方の面において収縮しないように拘束する。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りが抑制され、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなる。
【００４６】
したがって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、生産収率を向上させることもできる。
【００４７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することが好ましい。
【００４８】
この場合、絶縁基板とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、配線層、絶縁基板及び放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することもできる。
【００４９】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、少なくとも第１配線層と第１絶縁基板と前記ヒートシンクと第２絶縁基板と第２配線層とがこの順番で積層されたものであり得る。
【００５０】
この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンクの他方の面にもパワーデバイスを実装することが可能なパワーモジュール用基板を製造することができる。このため、製造コストを低廉化しつつ、パワーモジュールを小型化することが可能となる。
【００５１】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有するものであり得る。
【００５２】
この場合、第２絶縁基板とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、第２絶縁基板より熱伝導率が高い放熱層であれば、パワーデバイスから伝わる熱が放熱層において面方向に拡散されるので、放熱性能を一層向上させることができる。そして、ヒートシンクの他方の面側においても、ヒートシンクの一方の面側と同様、第２配線層、第２絶縁基板及び第２放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明を具体化した実施例１〜４を図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において、上側を表面、下側を裏面とする。また、各図面のヒートシンク２０の表面及び裏面に記載されている一対の矢印は、それぞれヒートシンク２０の表面及び裏面の延びを概念的に示している。
【００５４】
（実施例１）
図１に示すように、実施例１のパワーモジュール用基板１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の裏面に接合されたヒートシンク２０と、ヒートシンク２０の裏面に接合された拘束部材３０とを備える。
【００５５】
絶縁回路基板１０は、配線層１１と、配線層１１の裏面に接合された絶縁基板１２と、絶縁基板１２の裏面に接合された放熱層１３とからなる。
【００５６】
配線層１１は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウムからなる層により構成されている。配線層１１には、このパワーモジュール用基板１を使用する際、半導体チップ等のパワーデバイス７がワイヤーボンディング等の手段により実装される。
【００５７】
絶縁基板１２は、絶縁性と好適な熱伝導性が要求されるため、絶縁性セラミック製であり、厚さ１ｍｍ程度の薄い窒化アルミニウムからなる板により構成されている。窒化アルミニウムの線膨張係数は３．２×１０-6／°Ｃであるため、絶縁基板１２は、熱膨張し難い特性を有している。
【００５８】
放熱層１３は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウムからなる層により構成されている。
【００５９】
実施例１のパワーモジュール用基板１では、このような構成である絶縁回路基板１０として、配線層１１、絶縁基板１２及び放熱層１３が予め接合されたＤＢＡ基板が採用されている。この絶縁回路基板１０は、縦が約３０ｍｍ、横が約３０ｍｍの矩形とされている。
【００６０】
ヒートシンク２０はアルミニウム合金からなる。このヒートシンク２０は、厚みが１０ｍｍ程度である横長の矩形断面をなしており、その内部には横長の矩形断面をなす冷媒流路２０ａが形成されている。そして、冷媒流路２０ａの内部に水等の冷却媒体２９を流通させることにより、パワーデバイス７の熱を放冷することが可能とされている。また、冷媒流路２０ａ内には上下方向に延びる複数のフィン２０ｂが形成され、これらによって冷却媒体２９と接触する冷媒流路２０ａの内面積が増やされ、冷却性能の向上が図られている。
【００６１】
拘束部材３０は、厚さ１ｍｍ程度のアルミナからなる板材により構成されている。アルミナの線膨張係数は、約５．２×１０-6／°Ｃであるため、拘束部材３０も、絶縁基板１２と同様、熱膨張し難い特性を有している。
【００６２】
また、拘束部材３０を構成するアルミナのヤング率は約３８０ＧＰａであり、絶縁基板１２を構成する窒化アルミニウムのヤング率（約３１０ＧＰａ）と同程度である。なお、ヒートシンク２０を構成するアルミニウム合金のヤング率は７０ＧＰａ程度であるので、アルミナのヤング率のほうが大幅に優れている。こうして拘束部材３０は、絶縁基板１２と同程度以上の剛性を有している。
【００６３】
さらに、この拘束部材３０は、絶縁基板１２に対して、ヒートシンク２０を間に挟んで対称に配置されている。つまり、拘束部材３０は、厚さだけでなく、縦横の寸法も絶縁基板１２とほぼ同じ矩形とされており、ヒートシンク２０を間に挟んで、絶縁基板の真裏に配置されている。
【００６４】
これら絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を備える実施例１のパワーモジュール用基板１は、例えば下記のように製造される。
【００６５】
まず、ＤＢＡ基板である絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を用意し、図１に示すように、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０をこの順番で積層する。この際、上記各部材の間に、常温から百数十°Ｃ程度で硬化する液状又はシート状の接着材料（例えば、エポキシ樹脂系接着剤等）を介在させ、積層した各部材を硬化温度に加熱して、接着層４１、４２を形成する。これにより、各部材が接合されたパワーモジュール用基板１が得られる。この際、硬化温度がそれ程高くなければ、線膨張係数の比較的小さな絶縁回路基板１０及び拘束部材３０と、線膨張係数の比較的大きなヒートシンク２０との熱膨張差もそれほど顕著な問題とはならない。
【００６６】
このような構成である実施例１のパワーモジュール用基板１は、配線層１１にパワーデバイス７が実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイス７が発する高熱を絶縁回路基板１０を介してヒートシンク２０に伝え、冷媒流路２０ａ内を流通する冷却媒体２９によりその熱を放冷する。
【００６７】
この際、ヒートシンク２０は、パワーデバイス７の発熱により高温（例えば、１５０°Ｃ程度）となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、実施例１では、ヒートシンク２０が比較的熱伝導のよいアルミニウム合金製であるので、線膨張係数が比較的大きく、この傾向が顕著となっている。他方、絶縁基板１２は、窒化アルミニウムからなるため、ヒートシンク２０に比べて線膨張係数が小さく、パワーデバイス７の発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。
【００６８】
このため、図２に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、絶縁基板１２とヒートシンク２０とのこの線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で伸びようとして、ヒートシンク２０が反ろうとする。
【００６９】
しかしながら、実施例１のパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、拘束部材３０を備えている。このため、このパワーモジュール用基板１は、この使用時において、絶縁基板１２とヒートシンク２０との線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で伸びようとしても、ヒートシンク２０の裏面に接合された拘束部材３０がヒートシンク２０の反りを拘束する。その結果、ヒートシンク２０の反りが抑制されることとなる。
【００７０】
また、実施例１のパワーモジュール用基板１は、低温環境下に長時間放置された時において、図３に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で縮もうとする。
【００７１】
この場合においても、実施例１のパワーモジュール用基板１は、その拘束部材３０がヒートシンク２０の逆方向の反りを拘束する。その結果、ヒートシンク２０の反りが抑制されることとなる。例えば、このパワーモジュール用基板１がハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用され、その移動体が氷点下の極低温（例えば、−５０°Ｃ程度）の屋外に長時間放置されるような場合が相当する。
【００７２】
このため、このパワーモジュール用基板１は、絶縁基板１２にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなっており、高い耐久性を発揮することができる。
【００７３】
また、実施例１のパワーモジュール用基板１は、従来のパワーモジュール用基板のように、絶縁基板１２とヒートシンク２０との間に厚い放熱板を介在させていないことから、パワーデバイス７と冷媒流路２０ａとの距離を短くできている。このため、このパワーモジュール用基板１は、熱伝導の経路を短くすることができており、高い放熱性能を発揮することもできる。
【００７４】
したがって、実施例１のパワーモジュール用基板１は、放熱性能及び耐久性の向上を実現することができる。
【００７５】
また、このパワーモジュール用基板１において、絶縁基板１２とヒートシンク２０との間には絶縁基板１２より熱伝導率が高い放熱層１３が備えられているので、パワーデバイス７から伝わる熱が放熱層１３において面方向に拡散されるようになっており、放熱性能を一層向上させることができている。
【００７６】
さらに、このパワーモジュール用基板１において、拘束部材３０は、ヒートシンク２０よりも大幅に優れたヤング率を有するアルミナで構成され、絶縁基板１２と同程度以上の剛性を有している。このため、拘束部材３０は、ヒートシンク２０の膨張を拘束可能な剛性を有しており、その結果、ヒートシンク３０が反ろうとする際に作用するヒートシンク２０の裏面を伸ばそうとする力に対して、より確実に耐えることができている。
【００７７】
なお、実施例１では、拘束部材３０としてアルミナを採用してるが、線膨張係数が比較的低く、ヤング率が比較的高い電磁軟鉄又はインバー合金を採用した場合でも、上述した理由により、同様の効果を奏することができる。
【００７８】
（実施例２）
また、実施例２のパワーモジュール用基板１ａとして、図４に示すように、拘束部材３０の代わりに、絶縁回路基板１０と全く同じものである第２絶縁回路基板１０２を採用することができる。
【００７９】
実施例２のパワーモジュール用基板１ａにおいて、ヒートシンク２０の表面側には、第１配線層１１１と、第１絶縁基板１２１と、第１放熱層１３１とからなる第１絶縁回路基板１０１が接合されている。他方、ヒートシンク２０の裏面側には、第２配線層１１２と、第２絶縁基板１２２と、第２放熱層１３２とからなる第２絶縁回路基板１０２が接合されている。
【００８０】
この場合には、本発明の効果を奏することができるとともに、第１絶縁回路基板１０１の第１配線層１１１にパワーデバイス７１を実装し、第２絶縁回路基板１０２の第２配線層１１２にパワーデバイス７２を実装することができるので、パワーモジュールの小型が実現できる。
【００８１】
（実施例３）
実施例１のパワーモジュール用基板１では、接着材料により絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合されるのに対して、図５に示す実施例３のパワーモジュール用基板２では、ロウ付けにより絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合される点が異なる。その他の構成は実施例１のパワーモジュール用基板１と同様であるので、説明は省く。
【００８２】
実施例３のパワーモジュール用基板２では、アルミニウムのロウ付けが採用されているため、製造方法が下記の通り、積層工程と、ロウ付けによる接合工程とを備える。
【００８３】
積層工程では、まず絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を用意する。次に、図６に示すように、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０をこの順番で積層して積層体２ａとする。この際、上記各部材の間には、アルミニウムのロウ付け用材料５１ａ、５２ａを介在させる。また、積層体２ａを治具等（図示しない）により挟持する。
【００８４】
ロウ付けによる接合工程では、高温炉９内に積層体２ａを配置した上で、約６００°Ｃの高温まで加熱する。これにより、積層体２ａが焼成され、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との間、及びヒートシンク２０と拘束部材３０の間にロウ付け層５１、５２が形成される。こうして、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０がロウ付けにより接合されたパワーモジュール用基板２が完成する。
【００８５】
このような手順により製造される実施例３のパワーモジュール用基板２では、接合工程において積層体２ａが焼成される際に、積層体２ａを構成する配線層１１、絶縁基板１２、放熱層１３、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が各々熱膨張しようとする傾向を示す。特に、実施例３では、ヒートシンク２０が比較的熱伝導のよいアルミニウム合金からなるので、線膨張係数が比較的大きく、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板１２は、窒化アルミニウムからなるため、ヒートシンク２０に比べて線膨張係数が小さく、焼成される際にもそれほど熱膨張する傾向がない。
【００８６】
このため、図７に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、積層体２ａの焼成中に、ヒートシンク２０と絶縁基板１２との熱膨張差が生じたまま、配線層１１、絶縁基板１２、放熱層１３、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合されてしまう。そして、積層体２ａの焼成終了後に、積層体２ａの温度が常温まで低下すれば、図８に示すように、高温により熱膨張していたヒートシンク２０が収縮するが、この際、ヒートシンク２０の表面は絶縁基板１２と接合されているので、収縮が拘束され、ヒートシンク２０の裏面側に反ろうとする傾向を示す。このため、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、生産収率の低下を生じてしまう。
【００８７】
この点、実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法は、図５に示すように、絶縁基板１２とヒートシンク２０との線膨張係数の差に起因するヒートシンク２０の反りを拘束する拘束部材３０をヒートシンク２０の裏面に接合するものである。このため、図６に示すように、積層体２ａの焼成終了後に、積層体２ａの温度が常温まで低下してヒートシンク２０が上記のように反ろうとする際も、拘束部材３０がヒートシンク２０の裏面において収縮しないように拘束する。その結果、このパワーモジュール用基板２は、ヒートシンク２０の反りが抑制され、絶縁基板１２にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなっている。
【００８８】
したがって、実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法は、生産収率を向上させることもできる。
【００８９】
また、このパワーモジュール用基板２の製造方法において、積層体２ａは絶縁基板１２とヒートシンクとの間に放熱層１３を有しているので、絶縁基板１２とヒートシンク２０との接合をロウ付けにより容易に実施することができている。
【００９０】
さらに、こうして得られたパワーモジュール用基板２は、上述した本発明の製品とのしての効果も奏することができている。
【００９１】
（実施例４）
実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法において、積層体２ａは、図４に示すように、第１絶縁基板１０１と、ヒートシンク２０と、第２絶縁基板１０２とがこの順番で積層されたものであって、製造方法が、接着材料による接合工程の代わりに、ロウ付けによる接合方法を備えるものであってもよい。
【００９２】
この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンク２０の裏面にもパワーデバイス７を実装することが可能なパワーモジュール用基板を製造することができる。このため、製造コストを低廉化しつつ、パワーモジュールを小型化することが可能となる。
【００９３】
以上において、本発明を実施例１〜４に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜４に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００９４】
例えば、実施例１のパワーモジュール用基板１において、ヒートシンク１０の表面側に、複数の絶縁回路基板１０が接合され、各々の絶縁回路基板１０に対応する複数の拘束部材３０がヒートシンク１０の裏面側に接合されていてもよい。また、各実施例における寸法は一例であり、必要に応じて変更しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明はパワーモジュール用基板に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】実施例１のパワーモジュール用基板の概略断面図である。
【図２】実施例１のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。
【図３】実施例１のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。
【図４】実施例２のパワーモジュール用基板の概略断面図である。
【図５】実施例３のパワーモジュール用基板の概略断面図である。
【図６】実施例３のパワーモジュール用基板の製造方法を示す概略断面図である。
【図７】実施例３のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合の製造方法を示す概略断面図である。
【図８】実施例３のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１ａ、２…パワーモジュール用基板
７、７１、７２…パワーデバイス
１１、１１１、１１２…配線層（１１１…第１配線層、１１２…第２配線層）
１２、１２１、１２２…絶縁基板（１２１…第１絶縁基板、１２２…第２絶縁基板）
１３、１３１、１３２…放熱層（１３１…第１放熱層、１３２…第２放熱層）
２０…ヒートシンク
２０ａ…冷媒流路
２９…冷却媒体
３０…拘束部材
４１、４２…接着層
５１、５２…ロウ付け層
【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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