(57)【要約】【課題】放熱特性に優れ、かつ、冷熱サイクル負荷時において半導体素子等の発熱体に熱応力が作用することを抑制することが可能な放熱板、この放熱板を用いた半導体装置及びこの放熱板の製造方法を提供する。【解決手段】搭載された発熱体３から発生する熱を放散させる放熱板３０であって、黒炭素質部材中に金属材料が充填されてなる金属基複合材料からなる板本体３１と、この板本体３１の少なくとも一の板面に形成された金属スキン層３２，３３と、を備え、前記板本体を構成する金属基複合材料は、炭素質部材中に溶融した金属材料を含浸させることによって形成されており、金属スキン層３２，３３は、板本体３１の前記板面に、金属粉末を衝突させることによって形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭載された発熱体から発生する熱を放散させる放熱板であって、
炭素質部材中に金属材料が充填されてなる金属基複合材料からなる板本体と、この板本体の少なくとも一の板面に形成された金属スキン層と、を備え、
前記板本体を構成する金属基複合材料は、炭素質部材中に溶融した金属材料を含浸させることによって形成されており、
前記金属スキン層は、前記板本体の前記板面に、金属粉末を衝突させることによって形成されていることを特徴とする放熱板。
【請求項２】
前記金属スキン層は、エアロゾルデポジション法によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱板。
【請求項３】
前記金属基複合材料からなる板本体の室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放熱板。
【請求項４】
前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料と、金属スキン層を構成する金属材料とが互いに異なっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の放熱板。
【請求項５】
前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がＡｌ−Ｓｉ合金とされ、金属スキン層を構成する金属材料が純度９９．９９％以上の純アルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載の放熱板。
【請求項６】
前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウム又はアルミニウム合金とされ、金属スキン層を構成する金属材料がニッケルであることを特徴とする請求項４に記載の放熱板。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の放熱板と、この放熱板上に搭載される半導体素子と、を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
炭素質部材中に金属材料が充填されてなる金属基複合材料からなる板本体を有し、この板本体の少なくとも一の板面に金属スキン層が形成された放熱板の製造方法であって、
炭素質部材中に溶融した金属材料を含浸して金属基複合材料からなる板本体を形成する板本体形成工程と、
前記板本体の板面に、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層を形成する金属スキン層形成工程と、
を備えていることを特徴とする放熱板の製造方法。
【請求項９】
前記金属スキン層形成工程は、エアロゾルデポジション法によって前記金属スキン層を形成することを特徴とする請求項８に記載の放熱板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱体が搭載され、この発熱体から発生する熱を拡げて放散させる放熱板、この放熱板を備えた半導体装置、及び、この放熱板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高機能化、大容量化及び小型化に伴って、電子機器から発生する熱量が増加する傾向にあり、これらの熱を効率的に放散することが求められている。
例えば、発熱体として半導体素子が搭載された半導体装置においては、特許文献１に開示されているように、半導体から発生する熱を拡げて放散するために、熱伝導性が良好な放熱板が使用されている。
【０００３】
また、前述の半導体装置において用いられる放熱板においては、搭載される半導体素子が例えばＳｉ等で構成されていて熱膨張係数が比較的小さいため、金属板等からなり、比較的熱膨張係数が大きな放熱板を用いた場合には、冷熱サイクル負荷時において、搭載された半導体素子に熱応力が作用することになり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。このため、熱膨張係数の小さな放熱板が求められている。
【０００４】
そこで、熱伝導率が高くかつ熱膨張係数が小さな放熱板として、炭素質部材と金属とからなる金属基複合材料等が広く提案されている。具体的には、特許文献２には、炭素繊維よりなる炭素繊維フェルトに、銅を加圧溶浸させた金属基複合材料からなる放熱板が提案されている。また、特許文献３には、炭素成形体に、アルミニウム、銅、銀を溶湯鍛造により加圧含浸させた金属基複合材料からなる放熱板が提案されている。
このような金属基複合材料においては、熱伝導率の良い金属を含んでいることから、高い熱伝導性を確保することができる。また、熱膨張率の小さな黒鉛部材を含有していることから、熱膨張係数を低く抑えられることになる。
【０００５】
このような放熱板は、その板面に半導体素子や半導体素子を搭載した回路基板等の発熱体が、ろう材やはんだ材を介して接合されることになる。ここで、金属基複合材料からなる放熱板では、板面に炭素部材と金属とが露呈されるため、はんだ材やろう材を用いて発熱体を強固に接合することができないおそれがあった。
そこで、金属基複合材料の板面に、炭素質部材に含浸させた金属を溶出させて金属スキン層を形成することや、めっきや真空蒸着によって金属スキン層を形成することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２９６４９３号公報
【特許文献２】特開平１１−０９７５９３号公報
【特許文献３】特開２００１−０５８２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述のように、金属基複合材料の板面に、炭素質部材に含浸させた金属を溶出させて金属スキン層を形成した場合には、金属スキン層を均一に形成することが困難であり、半導体素子等の発熱体を良好に接合することができないおそれがあった。また、炭素質部材に含浸させた金属によって金属スキン層が形成されることになるため、金属スキン層の材質を変更することができないといった問題があった。
【０００８】
一方、金属基複合材料の板面に、めっきや真空蒸着によって金属スキン層を形成した場合には、金属スキン層の材質を、炭素質部材に含浸させた金属と異なるものとすることができるが、この金属スキン層と金属基複合材料の板面との間の接合性が低下するおそれがあり、やはり、半導体素子等の発熱体を良好に接合することができないおそれがあった。  
また、めっきによって金属スキン層を形成した場合、金属スキン層には、引張応力が残存することになり、金属スキン層が劣化した際に亀裂が生じやすく、半導体素子等の発熱体との接合に不具合が生じるおそれがあった。
さらに、真空蒸着を用いた場合、金属スキン層の形成に多大な労力が必要となり、この放熱板の製作コストが大幅に上昇してしまうといった問題があった。
【０００９】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、放熱特性に優れ、かつ、冷熱サイクル負荷時において半導体素子等の発熱体に熱応力が作用することを抑制することが可能な放熱板、この放熱板を用いた半導体装置及びこの放熱板の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決して、前述の目的を達成するために、本発明の放熱板は、搭載された発熱体から発生する熱を放散させる放熱板であって、炭素質部材中に金属材料が充填された金属基複合材料からなる板本体と、この板本体の少なくとも一の板面に形成された金属スキン層と、を備え、前記板本体を構成する金属基複合材料は、炭素質部材中に溶融した金属材料を含浸させることによって形成されており、前記金属スキン層は、前記板本体の前記板面に、金属粉末を衝突させることによって形成されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成の放熱板によれば、炭素質部材中に金属材料が充填された金属基複合材料からなる板本体と、この板本体の少なくとも一の板面に形成された金属スキン層と、を備えており、金属スキン層が、前記板本体の前記板面に金属粉末を衝突させることによって形成されているので、炭素質部材及び金属が露呈された板面であっても、金属粉末を積層させて金属スキン層を形成することができ、板本体と強固に接合された金属スキン層を形成することができる。
【００１２】
また、金属基複合材料に充填された金属材料とは異なる金属材料で、金属スキン層を構成することが可能となり、搭載する発熱体の接合方法等に応じて金属スキン層の材質を選択することができる。
さらに、金属粉末を衝突させて金属スキン層を形成しているので、板本体の板面や金属スキン層の内部には、ピーニング効果によって圧縮応力が作用することになる。よって、金属スキン層が劣化した場合でも金属スキン層に亀裂等が生じにくく、発熱体との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記金属スキン層は、エアロゾルデポジション法によって形成されていることが好ましい。
エアロゾルデポジション法においては、サブミクロンオーダーの微細な粉末を高速で衝突させて金属スキン層を形成することになる。このエアロゾルデポジション法では、衝突した粉末が塑性変形されて積層され、塑性変形によって形成された活性面によって粉末同士が強固に結合されるため、金属スキン層を非常に緻密な構造とすることができる。また、常温、低圧の条件下において金属スキン層を形成することが可能となり、この放熱板の製造コストを低減することができる。
【００１４】
また、前記金属基複合材料からなる板本体の室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度が３０ＭＰａ以上に設定されていることが好ましい。
この場合、室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下とされているので、熱膨張係数が半導体素子等と近似することになり、冷熱サイクル負荷時において半導体素子等に熱応力が作用することを抑制できる。また、熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされているので、熱の伝導が良く、発熱体から発生する熱を効率良く放散させることが可能である。さらに、抗折強度が３０ＭＰａ以上とされているので、放熱板としての剛性が確保され、半導体装置等を構成することができる。
【００１５】
また、前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料と、金属スキン層を構成する金属材料とが互いに異なっていてもよい。
この場合、例えば金属基複合材料において充填される金属材料を溶湯の流動性に優れたものとし、金属スキン層を構成する金属材料をはんだやろう材と接合性の高い金属を採用することが可能となる。
【００１６】
ここで、前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がＡｌ−Ｓｉ合金とされ、金属スキン層を構成する金属材料が純度９９．０％以上の純アルミニウムであることが好ましい。
この場合、金属基複合材料において充填される金属材料がＡｌ−Ｓｉ合金とされているので、溶湯の湯流れ性が良好であり、炭素質部材に対して確実にＡｌ−Ｓｉ合金を含浸させることが可能となる。また、金属スキン層を構成する金属材料が純度９９．９９％以上の純アルミニウムとされていることから、金属スキン層の変形抵抗が低くなり、冷熱サイクル時に作用する熱応力をこの金属スキン層によって緩和吸収することが可能となる。また、この金属スキン層にろう材を介して半導体素子等の発熱体を良好に接合することができる。あるいは、金属スキン層にＮｉめっきを形成することによって、はんだ材を介して半導体素子等の発熱体を良好に接合することができる。
【００１７】
また、前記板本体を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウム又はアルミニウム合金とされ、金属スキン層を構成する金属材料がニッケルであることが好ましい。
この場合、金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウム又はアルミニウム合金とされているので、融点が低く、比較的低温での処理により、この金属基複合材料からなる板本体を構成することが可能となる。また、金属スキン層を構成する金属材料がニッケルであることから、金属スキン層にＮｉめっきを形成することなく、はんだ材を介して半導体素子等の発熱体を良好に接合することができる。
【００１８】
本発明の半導体装置は、前述の放熱板と、この放熱板上に搭載される半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
この構成の半導体装置によれば、発熱体である半導体素子から発生する熱を効率良く放散させることができるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合に、半導体素子に熱応力が作用することを抑制して、半導体素子の破損を防止できる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００１９】
また、本発明の放熱板の製造方法は、炭素質部材中に金属材料が充填されてなる金属基複合材料からなる板本体を有し、この板本体の少なくとも一の板面に金属スキン層が形成された放熱板の製造方法であって、炭素質部材中に溶融した金属材料を含浸して金属基複合材料からなる板本体を形成する板本体形成工程と、前記板本体の板面に、金属粉末を衝突させることによって金属スキン層を形成する金属スキン層形成工程と、を備えていることを特徴としている。
【００２０】
この構成の放熱板の製造方法によれば、熱の伝導が良く、かつ、熱膨張係数が低く半導体素子を構成するＳｉに近似した放熱板を製造することができる。さらに、金属スキン層形成工程が、金属粉末を衝突させて成膜する構成とされていることから、金属基複合材料からなる板本体の板面に、金属スキン層を確実に形成することができる。
【００２１】
ここで、前記金属スキン層形成工程は、エアロゾルデポジション法によって前記金属スキン層を形成する構成としてもよい。
この場合、金属基複合材料からなる板本体の板面に、非常に緻密な構造の金属スキン層を形成することができる。また、常温、低圧の条件下において金属スキン層を形成することが可能となり、この放熱板の製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、放熱特性に優れ、かつ、冷熱サイクル負荷時において半導体素子等の発熱体に熱応力が作用することを抑制することが可能な放熱板、この放熱板を用いた半導体装置及びこの放熱板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態である放熱板を用いたパワーモジュール（半導体装置）の概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である放熱板を示す説明図である。
【図３】図１に示すパワーモジュール（半導体装置）の製造方法のフロー図である。
【図４】図２に示す放熱板の板本体の製造方法の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態である放熱板を用いた半導体装置の概略説明図である。
【図６】図５に示すパワーモジュール（半導体装置）の製造方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、図１から図４を参照して本発明の第１の実施形態である放熱板を用いたパワーモジュール（半導体装置）について説明する。
図１に示すパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、パワーモジュール用基板１０の他方の面側（図１において下側）に配設された放熱板３０と、この放熱板の他方の面側に配設された冷却器４０とを備えている。
【００２５】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２６】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１にろう付けされることにより形成されている。なお、本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて金属板を接合している。
【００２７】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１にろう付けされることで形成されている。なお、本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて金属板を接合している。
【００２８】
冷却器４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４１が複数設けられた多穴管構造をなしている。冷却器４０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２９】
半導体チップ３は、Ｓｉで構成されており、この半導体チップ３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層２を介して回路層１２上に搭載されている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００３０】
そして、放熱板３０は、金属基複合材料で構成された板本体３１と、この板本体３１の一方の面側及び他方の面側にそれぞれ形成された金属スキン層３２、３３と、を備えている。  
ここで、放熱板３０の室温から２００℃までの熱膨張係数は１０×１０−６／℃以下、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度は３０ＭＰａ以上に設定されている。
【００３１】
板本体３１は、炭素質部材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成されている。より具体的には、板本体３１は、炭素質部材中に、融点が後述するろう付けの温度より高く、かつ、６３０℃以下のアルミニウム合金（本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ合金）が含浸されたアルミニウムグラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の９０体積％以上がＡｌ−Ｓｉ合金によって置換され、このＡｌ−Ｓｉ合金の含有率が、アルミニウムグラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
【００３２】
そして、この板本体３１の一方の面及び他方の面に形成された金属スキン層３２，３３は、純度９９．０％以上のアルミニウム（いわゆる純アルミニウム）で構成されている。
本実施形態では、この金属スキン層は、粒径がサブミクロンオーダーのＡｌ粉末をガスと混合させてエアロゾル状としてノズルを介して高速で衝突させる、いわゆるエアロゾルデポジション法によって形成されている。ここで、エアロゾルデポジション法では、衝突したＡｌ粉末が塑性変形された状態で積層され、塑性変形によって形成された活性面によってＡｌ粉末同士が強固に結合されることにより、非常に緻密な構造の金属スキン層３２，３３が形成されることになる。
なお、金属スキン層３２，３３の厚さｔｓは、０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．５ｍｍに設定されており、本実施形態では、金属スキン層３２，３３の厚さが同一とされ、ｔｓ＝０．２５ｍｍに設定されている。
【００３３】
次に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
まず、アルミニウムグラファイト複合材料からなる板本体３１を形成する（板本体形成工程Ｓ１）。なお、この基板本体形成工程では、図４に示すように、気孔率１０〜３０体積％の結晶質の黒鉛部材からなる黒鉛板３６を準備し、この黒鉛板３６の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板３７，３７を配設し、この挟持板３７，３７と黒鉛板３６とを、ステンレス製の押圧板３８，３８によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる溶融アルミニウムを黒鉛板３６に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウムグラファイト複合材料を得ることになる。
【００３４】
ここで、結晶質の黒鉛部材からなる黒鉛板３６は、以下の特性を有するものである。  
（１）黒鉛の（００２）面の面間隔が０．３３６ｍｍ以下
（２）六角網面整合性が２．９以上
（３）炭素質部の純度（炭素含有量）が９９．９質量％以上で、かつ、Ｎａの含有量が０．０２質量％以下
（４）熱伝導率が２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上
【００３５】
ここで、（２）の六角網面整合性は、以下のようにして求められる。
Ｘ線回折により求められる炭素質部の（１０１）面、（１０２）面、（１０３）面および（１１２）面における回折ピークでのピーク面積の合計をＳ１、回折角２θが３０〜４０度の間のバックグランドの強度積算値をＳ２とするとき、六角網面整合性＝Ｓ１／Ｓ２と定義する。ただし、入射角θは２０〜１００°の範囲とする。
【００３６】
本実施形態では、各回折ピークの面積は米国ＭＤＩ社製Ｘ線回折データ処理ソフトＪＡＤＥ６を使用し、以下の条件でピークサーチを実行して算出した。
＜ピークサーチ条件＞
フィルタータイプ：放物線
データ点：１９
ピーク位置定義：ピークトップ
しきい値σ：１．０
ピーク強度％カットオフ：０．３
ＢＧ決定の範囲：１．０
ＢＧ平均化のポイント数：７
バックグランド強度積算値Ｓ２は、２θが３０〜４０度の間をバックグランドとして、その範囲の全測定点（５００点）の強度を合計して求めた。
【００３７】
また、（００２）面間隔は、以下に示す測定条件で測定した回折データを、ＮＢＳ製シリコン標準資料を用いて回折角を補正し、上記Ｘ線回折データ処理ソフトＪＡＤＥ６を使用して算出した。ピークサーチ条件は、上述のとおりである。結晶系は六方晶（Ｐ６３／ｍｍｃ）、格子定数初期値はａ＝２．４７０４、ｃ＝６．７２４４とし、（００２）、（１００）、（１０１）、（１０２）、（００４）、（１０３）、（１１０）、（１１２）、（００６）、（２０１）の１０本のピークを計算に含めた。強度重み付けに√（Ｉ％）を使用した。なお、角度重み付けは使用しなかった。
【００３８】
Ｘ線回折測定には、Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製（旧ＭａｃＳｃｉｅｎｃｅ社製）全自動Ｘ線回折装置ＭＸＰ１８ＶＡＨＦを使用した。測定条件は以下のとおりである。
使用Ｘ線：ＣｕＫα線
管電圧、管電流：４０ｋＶ、３５０ｍＡ
光学系：集中法
走査方法：ステップスキャン
２θ走査範囲：２０〜１００度
２θステップ：０．０２度
１ステップの積算時間：１秒
発散スリット：０．５度
散乱スリット：０．５度
受光スリット：０．１５ｍｍ
カウンタグラファイトモノクロメータ使用
なお、測定試料は、グラファイトの押出方向に垂直な結晶面を測定するようにセットした。
【００３９】
このようにして得られたアルミニウムグラファイト複合材料からなる板本体３１の一方の面及び他方の面に、純度９９．０％以上の純アルミニウムからなる金属スキン層３２，３３を形成する（金属スキン層形成工程Ｓ２）。
この金属スキン層形成工程Ｓ２においては、粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされたＡｌ粉末をガスと混合させてエアロゾル状とし、ノズル３９を介して高速で衝突させるエアロゾルデポジション法によって金属スキン層３２，３３を形成している。なお、この金属スキン層形成工程Ｓ２におけるエアロゾルデポジション法の条件は、大気雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎの酸素ガスをキャリアガスとして用いた。
このように板本体３１の一方の面及び他方の面に金属スキン層３２，３３を形成することにより、本実施形態である放熱板３０が製造されることになる。
【００４０】
次に、この放熱板３０の一方の面側に、パワーモジュール用基板１０を接合する（パワーモジュール用基板接合工程Ｓ３）。放熱板３０の金属スキン層３２上に、ろう材を介して、パワーモジュール用基板１０が載置され、加熱炉にてろう付け処理が行われる。これにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板３０の金属スキン層３２とが接合される。ここで、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。
【００４１】
次に、この放熱板３０の他方の面側に、冷却器４０を接合する（冷却器接合工程Ｓ４）。放熱板３０の金属スキン層３３と冷却器４０との間にろう材を介在させ、加熱炉に装入して、ろう付け処理が行われる。これにより、冷却器４０と放熱板３０とが接合される。ここで、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。なお、パワーモジュール用基板接合工程Ｓ３と冷却器接合工程Ｓ４とは、同一の加熱炉内において同時に行ってもよい。
【００４２】
そして、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面にＮｉめっきを形成するとともに、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ５）。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が回路層１２上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
【００４３】
このような構成とされた本実施形態である放熱板３０及びパワーモジュール１によれば、放熱板３０が、炭素質部材中にアルミニウム合金が充填されたアルミニウムグラファイト複合材料で構成された板本体３１と、この板本体３１の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された金属スキン層３２、３３と、を備えており、この金属スキン層３２，３３が、粒径がサブミクロンオーダーのＡｌ粉末をガスと混合させてエアロゾル状としてノズルを介して高速で衝突させる、いわゆるエアロゾルデポジション法によって形成されているので、炭素質部材及びアルミニウムが露呈された板本体３１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム粉末を積層させることが可能となり、板本体３１と強固に接合された金属スキン層３２，３３を形成することができる。
【００４４】
また、前述のエアロゾルデポジション法においては、衝突したアルミニウム粉末が塑性変形されて積層され、塑性変形によって形成された活性面によってアルミニウム粉末同士が強固に結合されるため、金属スキン層３２，３３を非常に緻密な構造とすることができる。また、常温、低圧の条件下において金属スキン層３２，３３を形成することが可能となり、この放熱板３０の製造コストの低減を図ることができる。
【００４５】
また、板本体３１の室温から２００℃までの熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下とされているので、放熱板３０の熱膨張係数が半導体チップ３やパワーモジュール用基板１０と近似することになり、冷熱サイクル負荷時において半導体チップ３やパワーモジュール用基板１０に熱応力が作用することを抑制できる。また、板本体３１の熱伝導率が１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされているので、熱の伝導が良く、半導体チップ３やパワーモジュール用基板１０から発生する熱を効率良く放散させることが可能である。さらに、板本体３１の抗折強度が３０ＭＰａ以上とされているので、放熱板３０としての剛性が確保され、パワーモジュール１を構成することができる。
【００４６】
また、板本体３１を構成するアルミニウムグラファイト複合材料において含浸される金属材料が、比較的融点が低く、溶湯の流動性に優れたＡｌ−Ｓｉ合金とされているので、炭素質部材中にＡｌ−Ｓｉ合金を確実に含浸させることができる。
一方、金属スキン層３２，３３が、純度９９．０％以上の純アルミニウムで構成されているので、この金属スキン層３２，３３の変形抵抗が低くなり、冷熱サイクル時に作用する熱応力をこの金属スキン層３２，３３によって緩和吸収することが可能となる。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態である放熱板及びこの放熱板を用いた半導体装置について説明する。
この半導体装置１０１は、図５に示すように、放熱板１３０と、この放熱板１３０の一方の面側（図５において上側）に搭載された半導体チップ１０３と、放熱板１３０の他方の面側（図５において下側）に配設された冷却器１４０と、を備えている。
【００４８】
冷却器１４０は、半導体チップ１０３を冷却するためのものであり、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４１が複数設けられた多穴管構造をなしている。冷却器１４０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００４９】
半導体チップ１０３は、Ｓｉで構成されており、この半導体チップ１０３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層１０２を介して放熱板１３０上に搭載されている。
【００５０】
放熱板１３０は、金属基複合材料で構成された板本体１３１と、この板本体１３１の一方の面側及び他方の面側にそれぞれ形成された金属スキン層１３２、１３３と、を備えている。  
ここで、放熱板１３０の室温から２００℃までの熱膨張係数は１０×１０−６／℃以下、熱伝導率は１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、抗折強度は３０ＭＰａ以上に設定されている。
【００５１】
板本体１３１は、ＳｉＣからなる母材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたＡｌＳｉＣ複合材料で構成されている。
そして、この板本体１３１の一方の面に形成された金属スキン層１３２は、Ｎｉで構成されており、他方の面に形成された金属スキン層１３３は、純度９９．０％以上のアルミニウム（いわゆる純アルミニウム）で構成されている。
【００５２】
本実施形態では、一方の面に形成された金属スキン層１３２は、Ｎｉ粉末を、その融点以下の温度で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されている。
また、他方の面に形成された金属スキン層１３３は、Ａｌ粉末を、その融点以下の温度で衝突させるコールドスプレー法によって形成されている。
なお、金属スキン層１３２，１３３の厚さｔｓは、０．０５ｍｍ≦ｔｓ≦０．５ｍｍに設定されており、本実施形態ではｔｓ＝０．２５ｍｍに設定されている。
【００５３】
次に、本実施形態である半導体装置の製造方法について、図６を参照して説明する。
まず、金属基複合材料からなる板本体３１を形成する。（板本体形成工程Ｓ１１）。本実施形態では、ＳｉＣからなる母材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を充填させ、ＡｌＳｉＣ複合材料を形成する。
【００５４】
このようにして得られたＡｌＳｉＣ複合材料からなる板本体１３１の一方の面及び他方の面に金属スキン層を形成する。（金属スキン層形成工程Ｓ１２）。
板本体１３１の一方の面に、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下のＮｉ粉末を、その融点以下の温度でノズルを介して衝突させ、いわゆるエアロゾルデポジション法によって金属スキン層１３２を形成する。なお、この金属スキン層１３２を形成する際の条件は、大気雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎの酸素ガスをキャリアガスとして用いた。
さらに、板本体１３１の他方の面に、粒径０．１μｍ以上１０μｍ以下のＡｌ粉末を、その融点以下の温度でノズルを介して衝突させ、いわゆるエアロゾルデポジション法によって金属スキン層１３３を形成する。なお、この金属スキン層１３３を形成する際の条件は、大気雰囲気にて、雰囲気温度：室温、流量：１〜２０ｌ／ｍｉｎの酸素ガスをキャリアガスとして用いた。
このようにして、本実施形態である放熱板１３０が製出されることになる。
【００５５】
次に、この放熱板１３０の他方の面側に、冷却器１４０を接合する（冷却器接合工程Ｓ１４）。放熱板１３０の他方側の面に形成された金属スキン層１３３と冷却器１４０との間にろう材を介在させ、加熱炉に装入しててろう付け処理が行われる。これにより、冷却器１４０と放熱板１３０とが接合される。ここで、ろう付けの温度は、５５０〜６１０℃に設定されている。
【００５６】
そして、放熱板１３０の一方の面側に形成された金属スキン層１３２の表面に、はんだ材を介して半導体チップ１０３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
これにより、はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３が放熱板１３０上に接合され、本実施形態である半導体装置１０１が製出される。
【００５７】
このような構成とされた本実施形態である放熱板１３０及び半導体装置１０１によれば、放熱板１３０が、ＳｉＣからなる母材中にアルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたＡｌＳｉＣ複合材料で構成された板本体１３１と、この板本体１３１の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された金属スキン層１３２、１３３と、を備えており、これら金属スキン層１３２，１３３が、金属粉末を、その融点以下の温度で衝突させるエアロゾルデポジション法によって形成されているので、ＳｉＣ及びアルミニウムが露呈された板本体１３１の一方の面及び他方の面に、金属粉末を積層させることが可能となり、板本体１３１と強固に接合された金属スキン層１３２，１３３を形成することができる。
【００５８】
また、前述のエアロゾルデポジション法においては、室温にて酸素ガスをキャリアガスとして用いて金属粉末をノズルから噴出して衝突させ、金属粉末を塑性変形させつつ積層することによって成膜するものであることから、非常に緻密な構造の金属スキン層１３２、１３３を形成することができる。
したがって、この放熱板１３０の製作コストの削減を図ることができる。
【００５９】
さらに、金属粉末を衝突させて金属スキン層１３２、１３３を形成しているので、板本体１３１の一方の面及び他方の面や金属スキン層１３２、１３３の内部には、ピーニング効果によって圧縮応力が作用することになる。よって、金属スキン層１３２、１３３が劣化した場合でも金属スキン層１３２，１３３に亀裂等が生じにくく、半導体チップ１０３との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００６０】
本実施形態では、板本体１３１の他方の面側に形成された金属スキン層１３３が純度９９．０％以上の純アルミニウムで構成されているので、放熱板１３０の他方の面側に、アルミニウム合金からなる冷却器１４０を、ろう材を介して良好に接合することができるとともに、この金属スキン層１３３の変形抵抗が低くなり、冷熱サイクル時に作用する熱応力をこの金属スキン層１３３によって緩和吸収することが可能となる。
さらに、板本体１３１の一方の面側に形成された金属スキン層１３２がニッケルで構成されているので、放熱板１３０の一方の面側に、Ｎｉめっき膜を形成することなく、はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３を接合することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、板本体１３１の一方の面側に形成された金属スキン層１３２がＮｉ粉末を使用したエアロゾルデポジション法によって形成されているので、Ｎｉ粉末自体が溶融することなく板本体１３１の一方の面に積層されることになり、金属スキン層１３２の表面にＮｉ粉末に起因する微細な凹凸が生じることになる。これにより、金属スキン層１３２の表面積が増加することになり、はんだ材の濡れ性が向上し、はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３を確実に接合することができる。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、放熱板の板本体を、炭素質部材にＡｌ−Ｓｉ合金を含浸させたアルミニウムグラファイト複合材料やＳｉＣの母材中にアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させたＡｌＳｉＣ複合材料で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭素質部材にＣｕを含浸させたＣｕ−グラファイト複合材料等の他の金属基複合材料であってもよい。
【００６３】
また、金属スキン層を、アルミニウム、あるいは、ニッケルで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の金属で構成されていてもよい。金属スキン層を構成する材質は、金属スキン層上に接合される部材や接合方法等を考慮して、適宜設計変更することが好ましい。
さらに、板本体及び金属スキン層の厚さ等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【００６４】
また、発熱体として、半導体チップを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、電子部品等の他の発熱体が搭載される放熱板であってもよい。
さらに、冷却器を備えた半導体装置を例に挙げてとして説明したが、これに限定されることはなく、冷却器を備えていないものであってもよい。また、冷却器をろう付けによって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、接着剤やはんだ材を用いて接合してもよい。また、冷却器の材質や構造については、実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１  パワーモジュール（半導体装置）
３  半導体チップ（発熱体）
１０  パワーモジュール用基板
３０  放熱板
３１  板本体
３２、３３  金属スキン層
１０１  半導体装置
１０２  はんだ層
１０３  半導体チップ（発熱体）
１３０  放熱板
１３１  板本体
１３２、１３３  金属スキン層
【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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