(57)【要約】【課題】絶縁配線基板から放熱器に至るまでの熱抵抗を小さくし、パワー半導体チップの最大許容電力損失を大きく設定することが可能なパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁板１２と、絶縁板１２の表面に設けられ、板状の２次元超伝熱導体からなる表面導体１３Ｄ、１３Ｓと、表面導体１３Ｄの表面に実装されるパワー半導体チップ１５を備える。更に、絶縁板１２の裏面に直接的または間接的に接して、絶縁板１２にて生じた熱を放熱する放熱器１７を有する。このような構成により、パワー半導体チップ１５より発せられる熱は、２次元超伝熱導体による熱拡散作用により、該パワー半導体チップと表面導体との接触面積に比べて極めて広い面積に拡がる。従って、絶縁配線基板から放熱器に至るまでの熱抵抗を小さくできる。【選択図】      図１
2015220239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板と、
前記絶縁板の一の主面に設けられ、板状の２次元超伝熱導体からなる表面導体と、
前記表面導体の表面に実装されるパワー半導体チップと、
前記絶縁板の他の主面に直接的または間接的に接して、前記絶縁板にて生じた熱を放熱する放熱器と、
を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁板の他の主面と前記放熱器との間に、板状の２次元超伝熱導体からなる裏面導体を配設したことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記表面導体として用いる２次元超伝熱導体、及び前記裏面導体として用いる２次元超伝熱導体は、それぞれの成長軸が互いに直交するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記パワー半導体チップは、前記表面導体の中央に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記表面導体として用いる２次元超伝熱導体、及び裏面導体として用いる２次元超伝熱導体のうちの少なくとも一方は、成長軸に対して垂直な面に１０００［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導度を有する２次元超伝熱グラファイトを、前記成長軸に水平にスライスして得た薄板を主材料としてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記表面導体として用いる２次元超伝熱導体、及び裏面導体として用いる２次元超伝熱導体のうちの少なくとも一方は、表面がはんだ付け可能な金属めっきでメタライズした板状２次元超伝熱グラファイトで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記表面導体として用いる２次元超伝熱導体、及び裏面導体として用いる２次元超伝熱導体のうちの少なくとも一方は、板状の２次元超伝熱グラファイト層の表面に低抵抗金属層を積層してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記低抵抗金属層の厚みは０．３〜１［ｍｍ］の範囲であることを特徴とする請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記低抵抗金属層の表面は、はんだ付け可能な金属でめっきされていることを特徴とする請求項７または８に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
前記低抵抗金属層は、前記表面導体の、主電流の経路となる領域にのみ配設されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
前記絶縁板の一の主面には、２以上の表面導体が設けられ、一の表面導体には、第１のパワー半導体チップが搭載され、他の表面導体には、第２のパワー半導体チップが搭載され、前記第１のパワー半導体チップと第２のパワー半導体チップにてハーフブリッジ回路を構成すること
を特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
絶縁板の一の主面に活性金属接合法にて２次元超伝熱導体からなる表面導体を接合する工程と、
前記表面導体の表面にはんだ付け可能なめっき金属膜を被覆する工程と、
前記表面導体の表面にパワー半導体チップをはんだ付けする工程と、
前記絶縁板の他の主面に、直接的或いは間接的に放熱器をはんだ付けする工程と、
を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記表面導体を接合する工程は、
絶縁板の一の主面に活性金属接合法にて２次元超伝熱グラファイトを接合する工程と、
前記２次元超伝熱グラファイト層の表面に低抵抗金属層を形成する工程と、からなることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記２次元超伝熱グラファイトの表面に低抵抗金属層を形成する工程は、
前記２次元超伝熱グラファイトの表面に前記低抵抗金属層を、活性金属接合法で接合することにより行われることを特徴とする請求項１３に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記２次元超伝熱グラファイトの表面に低抵抗金属層を形成する工程は、
前記２次元超伝熱グラファイトの表面に低抵抗金属を溶射法で堆積することによって行われることを特徴とする請求項１３に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い伝熱性を有する絶縁配線基板を備えたパワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に開示されているように、絶縁板の片面、或いは両面に金属板を張り付けた構成の絶縁配線基板の上に１つ以上のパワー半導体チップをはんだ等で接合させた構造を基本構造とするパワー半導体モジュールが知られている。
【０００３】
このようなパワー半導体モジュールは、絶縁板の一方の面に、直接接合法や活性金属接合法等の方法を用いて表面導体を接合し、該表面導体の表面にパワー半導体チップをはんだ等で接合している。また、絶縁配線基板の他方の面に、直接接合法や活性金属接合法等の方法を用いて裏面導体を接合し、該裏面導体にはんだ等により放熱器が固着されている。従って、パワー半導体チップにて生じる熱は、表面導体と絶縁板と裏面導体からなる絶縁配線基板を介して放熱器に伝達されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７０３５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来におけるパワー半導体モジュールでは、絶縁配線基板から放熱器に至るまでの熱抵抗が高くなり、パワー半導体モジュールの最大許容電力損失を大きく設定することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、絶縁配線基板から放熱器に至るまでの熱抵抗を小さくし、パワー半導体チップの最大許容電力損失を大きく設定することが可能なパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本願発明に係るパワー半導体モジュールは、絶縁板の一の主面に設けられ、板状の２次元超伝熱導体からなる表面導体と、この表面導体の表面に実装されるパワー半導体チップと、絶縁板の他の主面に直接的または間接的に接して、絶縁板にて生じた熱を放熱する放熱器とを備える。
【０００８】
また、本願発明にかかるパワー半導体モジュールの製造方法は、絶縁板の一の主面に２次元超伝熱導体からなる表面導体を接合し、表面導体の表面にはんだ付け可能なめっき金属膜を被覆し、表面導体の表面にパワー半導体チップをはんだ付けし、絶縁板の他の主面に、直接的或いは間接的に放熱器をはんだ付けする。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明では、パワー半導体チップより発せられる熱は、２次元超伝熱導体による熱拡散作用により、該パワー半導体チップと表面導体との接触面積に比べて極めて広い面積に拡がる。従って、絶縁配線基板から放熱器に至るまでの熱抵抗を小さくし、パワー半導体チップの最大許容電力損失を大きく設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの効果を、比較例と対比して説明する図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの効果を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの効果を説明する図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【図９】比較例に係るパワー半導体モジュールの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す各実施形態では、理解を促進するために、各図に示す厚み方向の寸法を誇張して記載している。即ち、横方向の寸法と縦方向の寸法の比率は実物と一致していない。また、以下に示す各実施形態では、１個または２個のパワー半導体チップを備えたパワー半導体モジュールを例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されず、３個以上のパワー半導体チップを設けることも可能である。
【００１２】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す要部断面図である。図１に示すように、本実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００は、絶縁配線基板１１と、該絶縁配線基板１１に実装されるパワー半導体チップ１５、及び絶縁配線基板１１の下面に設けられる放熱器１７を備えている。
【００１３】
絶縁配線基板１１は、絶縁板１２と、該絶縁板１２の表面に接合され２次元超伝熱導体で形成された表面導体１３Ｓ及び１３Ｄと、絶縁板１２の裏面に接合された裏面導体１４から構成されている。絶縁板１２は、例えば、ＳｉＮやＡｌＮ、アルミナやその他のセラミック板で形成される。裏面導体１４は、例えば、ＣｕやＡｌ等の平板から構成されている。なお、接合層は、図示を省略している。また、図１では、絶縁配線基板１１が裏面導体１４を有する構成を示しているが、裏面導体１４を有しない絶縁配線基板１１を用いることも可能である。
【００１４】
パワー半導体チップ１５は、表面導体１３Ｄの上面にはんだ等で接合されている。接合層は図示を省略している。パワー半導体チップ１５は、どのような種類、材料のものであってもよい。該パワー半導体チップ１５は、パワー半導体チップ１５の水平伝熱面積を大きくするために、表面導体１３Ｄの略中央に配置することが望ましい。
【００１５】
パワー半導体チップ１５の表面電極と表面導体１３Ｓを接続する接続手段として、ボンディングワイヤ１６が設けられている。接続手段は、ボンディングワイヤ以外に、ボンディングリボンやクリップリード等を用いることも可能である。なお、発熱源としてのパワー半導体チップ１５を搭載しない表面導体１３Ｓは、２次元超伝熱導体である必要はなく、裏面導体１４のように通常の金属電極であってもよい。
【００１６】
放熱器１７は、絶縁配線基板１１の下面、即ち裏面導体１４に、はんだ等により固着されている。即ち、放熱器１７は、絶縁板１２に間接的に接している。なお、裏面導体１４を固着せずに、放熱グリースで軟接着するようにしてもよい。但し、この場合は絶縁配線基板１１を支持するための支持手段が別途必要になる。また、放熱器１７は、ＣｕやＡｌ、ＣｕＭｏ合金、或いはＡｌＳｉＣ合金、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ積層材等の平板またはフィン付き平板、液冷ジャケット付き平板等で構成される。
【００１７】
また、図１では、絶縁板１２に対して間接的に放熱器１７が接する例を示しているが、絶縁配線基板１１が裏面導体１４を備えない場合には、絶縁板１２と放熱器１７が直接的に接することになる。即ち、放熱器１７は、絶縁板１２に対して直接的または間接的に接している。
【００１８】
次に、本発明の特徴的な構成要件である２次元超伝熱導体で形成される表面導体１３Ｓ、１３Ｄの構造について詳細に説明する。第１実施形態に係る表面導体１３Ｓ、１３Ｄの主原料は、２次元超伝熱グラファイトである。２次元超伝熱グラファイトは、２次元結晶であるグラフェン単層が成長軸方向に幾層も堆積した特殊なグラファイトであって、成長軸（これを、ｚ軸とする）と垂直な方向（ｘ−ｙ平面）に極めて大きな熱伝導度を有する。具体的には、１０００［Ｗ／ｍＫ］（ワット／メートル・ケルビン）を超える熱伝導度を有する。これと同時に、２次元超伝熱グラファイトは、導電体としての特性を有する。昨今において、熱分解気相成長法による製造方法が確立したことにより、２次元超伝熱グラファイトを容易に入手することが可能となった。
【００１９】
第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００に使用する２次元超伝熱導体で形成される表面導体１３Ｓ、１３Ｄは、上記の２次元超伝熱グラファイトをｚ軸に平行にスライスしてできた薄い板（例えば、厚み０．３〜２ｍｍ）の表面を、パワー半導体チップ１５をはんだ付けできるようにメタライズして形成したものである（後述する第２〜第５実施形態についても同様）。即ち、表面導体として用いる２次元超伝熱導体は、表面がはんだ付け可能な金属めっきでメタライズした板状２次元超伝熱グラファイトで構成されている。
【００２０】
ここでは、説明の便宜上図１に示すように、スライスしてできた薄い板の主面をｘ−ｚ平面、主面に垂直な方向をｙ軸と定義する。このように方向を定義すると、図１に示す表面導体１３Ｄの断面はｘ−ｙ平面となる。メタライズの一例として、ＴｉとＮｉを連続蒸着したＴｉ／Ｎｉ積層膜の上に、Ｎｉ：Ｐめっきを厚み５［μｍ］程度被覆する構成が挙げられる。Ｔｉ／Ｎｉ積層膜の他に、Ｔｉ／ＮｉＣｒ積層膜、或いは、Ｔｉ／Ｐｔ膜とすることもできる。Ｎｉ：Ｐめっきの他に、Ｎｉ：Ｂめっき、或いは、Ｐｔめっきとすることもできる。
【００２１】
［第１実施形態の製造方法］
次に、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の製造方法について説明する。
【００２２】
初めに、第１工程として、活性金属接合法を用いて、絶縁板１２の表面（一の主面）に所定の形状に加工した２次元超伝熱導体で形成された表面導体１３Ｓ、１３Ｄを接合する。更に、絶縁板の裏面（他の主面）に、例えばＣｕで形成された裏面導体１４を接合する。但し、この時点では表面導体１３Ｓ、１３Ｄの表面のめっき（Ｎｉ：Ｐめっき）は、未だ施されていないものとする。次いで、絶縁板１２に接合した表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及び裏面導体１４の表面にめっき（例えば、Ｎｉ：Ｐ無電解めっき）を厚み５［μｍ］程度施す。その結果、絶縁配線基板１１が完成する。
【００２３】
第２工程として、絶縁配線基板１１の表面導体１３Ｄの所定の位置にパワー半導体チップ１５をはんだ付けする。その後、パワー半導体チップ１５の表面電極と表面導体１３Ｓをボンディングワイヤ１６等の接続手段で接続する。
【００２４】
第３工程として、パワー半導体チップ１５を搭載した絶縁配線基板１１の裏面導体１４を、放熱器１７にはんだ付けする。こうすることにより、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００が完成する。
【００２５】
なお、上記した各工程では、パワー半導体チップ１５と絶縁配線基板１１とのはんだ付け、及び、絶縁配線基板１１と放熱器１７とのはんだ付け、を別工程で実施したが、これらの２回のはんだ付けを同一のはんだ材料を用いて同時に実施し、その後、ボンディングワイヤ１６を接続する工程を実施することもできる。この場合には、一工程分を短縮することができる。
【００２６】
［第１実施形態の効果］
次に、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の効果を説明する。初めに、比較例として、２次元超伝熱導体を使用しない表面導体を有するパワー半導体モジュールについて説明する。図９は、比較例に係るパワー半導体モジュール１０００の構成を示す要部断面図である。該パワー半導体モジュール１０００は、絶縁配線基板１０１と、該絶縁配線基板１０１に実装されるパワー半導体チップ１０５、及び絶縁配線基板１０１の下面に設けられる放熱器１０７を備えている。
【００２７】
絶縁配線基板１０１は、絶縁板１０２と、該絶縁板１０２の表面に接合された表面導体１０３Ｓ及び１０３Ｄと、絶縁板１０２の裏面に接合された裏面導体１０４から構成されている。
【００２８】
パワー半導体チップ１０５は、表面導体１０３Ｄの上面にはんだ等で接合されている。パワー半導体チップ１０５の表面電極と表面導体１０３Ｓは、ボンディングワイヤ１０６により接続されている。また、放熱器１０７は、絶縁配線基板１０１の下面に、はんだ等により固着されている。即ち、図９に示す比較例と図１に示す第１実施形態とを対比すると、第１実施形態では、絶縁板１２の表面に設けられる表面導体１３Ｓ、１３Ｄの材質が２次元超伝熱導体である点が相違している。
【００２９】
図２（ａ）は、比較例に係るパワー半導体チップ１０５に電流が流れて発熱しているときの熱の流れを模式的に示す説明図、図２（ｂ）は、第１実施形態に係るパワー半導体チップ１５に電流が流れて発熱しているときの熱の流れを模式的に示す説明図である。
【００３０】
図２（ａ）に示す比較例に係る絶縁配線基板１０１の構造では、表面導体１０３Ｄにおけるｘ方向の熱拡がり（図３に示すΔＬｘ）は小さく、パワー半導体チップ１０５より発せられた熱は該パワー半導体チップ１０５の直下と、そのごく近傍の領域に限られて放熱器１０７に向かって伝播しようとする。これに対して、図２（ｂ）に示す第１実施形態に係る絶縁配線基板１１の構造では、２次元超伝熱グラファイトのｘ−ｙ方向の大きな熱伝導性が現れる結果、表面導体１３Ｄでのｘ方向の熱拡がり（ΔＬｘ）は、比較例と対比して相対的に極めて大きくなる。
【００３１】
図３は、熱拡がりΔＬｘの説明図であり、第１実施形態の表面導体１３Ｄとパワー半導体チップ１５が接する端点から外側に向けて熱が伝搬する際の、絶縁板１２と接する面上での距離を示す。そして、表面導体１３Ｄの熱伝導度をＫ１ｂ、絶縁板１２の熱伝導度をＫ２、表面導体１３Ｄの厚みをｄとすると、熱拡がりΔＬｘは「ΔＬｘ＝ｄ×Ｋ１ｂ×Ｋ２」で示される。即ち、図３に示す角度αで拡がる。
【００３２】
具体的な例として、図２（ａ）の比較例に係る絶縁板１０２として、熱伝導度Ｋ２が１７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］のＡｌＮセラミック板を使用し、更に、表面導体１０３Ｄとして、厚みｄ＝１［ｍｍ］、熱伝導度が４０１［Ｗ／ｍ・Ｋ］（これを、熱伝導度Ｋ１ａとする）のＣｕ板を設けた場合の熱拡がりΔＬｘ１（＝ｄ×Ｋ１ａ／Ｋ２）を算出すると、ΔＬｘ１＝２．４［ｍｍ］となった。
【００３３】
一方、図２（ｂ）の第１実施形態に係る絶縁板１２として、図２（ａ）と同様に熱伝導度Ｋ２が１７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］のＡｌＮセラミック板を使用し、更に、この絶縁板１２の表面に厚みｄの２次元超伝熱導体の表面導体１３Ｄを設けた場合の熱拡がりを算出した。２次元超伝熱導体の表面導体１３Ｄの熱伝導度をＫ１ｂとすると、Ｋ１ｂ＝１７００［Ｗ／ｍ・Ｋ］であり、熱拡がりΔＬｘ２（＝ｄ×Ｋ１ｂ／Ｋ２）を算出すると、ΔＬｘ２＝１０［ｍｍ］となった。即ち、ΔＬｘ１＜ΔＬｘ２という結果が得られた。
【００３４】
ここで、「１０ｍｍ」という熱拡がりは、今日生産されている最大級のＳｉ−ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チップの一辺に匹敵する規模である。この大きな熱拡がりがパワー半導体チップのｘ方向の左右に等しく形成されることになり、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００は、比較例に係るパワー半導体モジュール１０００と比較して、著しく放熱特性が向上していることが理解される。
【００３５】
このように、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００では、パワー半導体チップ１５より発せられる熱は、２次元超伝熱導体で形成された表面導体１３Ｄのｘ方向への熱拡散作用により、該パワー半導体チップ１５と表面導体１３Ｄとの接触面積に比べて極めて広い面積に拡がる。そして、絶縁板１２→裏面導体１４→放熱器１７へと伝搬する。即ち、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００では、絶縁配線基板１１の伝熱経路を拡大することによって、図９に示した比較例と対比して、絶縁配線基板１１の熱抵抗を著しく低減できるという効果が得られる。
【００３６】
更に、パワー半導体チップ１５の温度Ｔｊと放熱器１７の温度Ｔｃが不変と仮定すると、最大許容電力損失Ｐmaxと絶縁板１２の熱抵抗Ｒthの間にＴｊ−Ｔｃ＝Ｐmax／Ｒth（＝一定）の関係があるから、熱抵抗が下がった分だけ、従来の最大許容電力損失を増大させることができるという効果を達成できる。
【００３７】
また、パワー半導体チップ１５は、表面導体１３Ｄの略中央に配置されるので、該パワー半導体チップ１５の水平伝熱面積を大きくすることができる。
【００３８】
更に、表面導体として用いる２次元超伝熱導体は、表面がはんだ付け可能な金属めっきでメタライズした板状２次元超伝熱グラファイトで構成されているので、伝熱特性をより一層向上させることが可能となる。
【００３９】
また、表面導体として用いる２次元超伝熱導体は、成長軸に対して垂直な面に１０００［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導度を有する２次元超伝熱グラファイトを、前記成長軸に水平にスライスして得た薄板を主材料としているので、熱伝導性をより一層向上させることが可能となる。
【００４０】
また、第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００の製造方法では、絶縁板１２の表面（一の主面）に活性金属接合法にて２次元超伝熱導体からなる表面導体１３Ｄ、１３Ｓを接合する工程、及び表面導体１３Ｄ、１３Ｓの表面にはんだ付け可能なめっき金属膜を被覆する工程（第１工程）を有する。更に、表面導体１３Ｄの表面にパワー半導体チップ１５をはんだ付けする工程（第２工程）と、絶縁板１２の裏面側（他の主面）に、直接的或いは間接的に放熱器をはんだ付けする工程（第３工程）とを有するので、簡単な手順でパワー半導体モジュール２０００を製造することが可能となる。
【００４１】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の構成を示す要部断面図である。なお、図４において、前述した図１と同一部分には同一符号を付して構成説明を省略する。
【００４２】
図４に示すように、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００は、絶縁配線基板１１’を備えている。該絶縁配線基板１１’は、絶縁板１２の裏面に２次元超伝熱導体で形成された裏面導体１４’が設けられている点で、前述した第１実施形態と相違する。裏面導体１４’は、前述した表面導体１３Ｄと同一の材質である。
【００４３】
即ち、絶縁板１２の裏面には、該絶縁板１２の表面に形成した表面導体１３Ｄと同様に、２次元超伝熱グラファイトをｚ軸に平行にスライスしてできた薄い板の表面を蒸着（Ｔｉ／Ｎｉ積層膜等）とめっき（Ｎｉ：Ｐ膜など）でメタライズした２次元超伝熱導体の裏面導体１４’が設けられている。このような構成によれば、絶縁板１２と放熱器１７との間の放熱特性を向上させることができ、第１実施形態と対比してパワー半導体チップ１５より発せられる熱を効率よく放熱器１７に伝達することが可能になる。
【００４４】
前述した表面導体１３Ｄと同様に、主面に垂直な方向をｙ軸と定義すると、裏面導体１４’のｚ軸の方向が面内のどの方向を向いている場合でも、良好な放熱特性を得ることができる。更に、裏面導体１４’のｚ軸の方向が、表面導体１３Ｄのｚ軸と直角の位置関係にあるとき（図４に示すｘ，ｙ，ｚの方向）が最も放熱特性が良好となる。
【００４５】
［第２実施形態の製造方法］
次に、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の製造方法について説明する。初めに、第１工程として、活性金属接合法を用いて、絶縁板１２の表面と裏面にそれぞれ所定の形状に加工した２次元超伝熱導体の表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及び２次元超伝熱導体の裏面導体１４’を接合する。但し、この時点では表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及び裏面導体１４’の表面には、めっき（Ｎｉ：Ｐめっき）は未だ施されてなく、蒸着膜（Ｔｉ／Ｎｉ積層膜等）だけが被覆されている。次いで、絶縁板１２に接合した表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及び裏面導体１４’の表面に、めっき（例えば、Ｎｉ：Ｐ無電解めっき）を５［μｍ］程度施し、絶縁配線基板１１’を形成する。第２工程、第３工程は、前述した第１実施形態で示した第２工程、第３工程と同一であるので、説明を省略する。
【００４６】
［第２実施形態の効果］
次に、第２実施形態に係るパワー半導体モジュール３０００の効果を説明する。第２実施形態では、前述した第１実施形態に係るパワー半導体モジュール２０００に加えて、絶縁板１２の裏面に２次元超伝熱導体で形成された裏面導体１４’が設けられている。従って、パワー半導体チップ１５から絶縁板１２に伝達された熱が、より小さい熱抵抗で放熱器１７に伝達されることになる。従って、パワー半導体チップ１５にて発せられる熱を効率よく放熱器１７に伝達することができる。
【００４７】
また、表面導体として用いる２次元超伝熱導体、及び裏面導体として用いる２次元超伝熱導体のうちの少なくとも一方は、成長軸に対して垂直な面に１０００［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導度を有する２次元超伝熱グラファイトを、前記成長軸に水平にスライスして得た薄板を主材料としているので、熱伝導性をより一層向上させることが可能となる。
【００４８】
更に、第２実施形態では、図４に示したように、表面導体１３Ｄのｘ軸と、裏面導体１４’のｘ軸を、互いに直交する位置関係とすることにより、より一層の放熱効果を達成している。以下、図５を参照して詳細に説明する。
【００４９】
図５（ａ）は、第２実施形態に係る絶縁配線基板１１の上面図であり、絶縁板１２と、該絶縁板１２の表面に配置された表面導体１３Ｓ、１３Ｄ、及びパワー半導体チップ１５が示されている。そして、図中左右方向が２次元超伝熱導体で形成された表面導体１３Ｓ、１３Ｄのｘ軸とされている。従って、熱拡がりΔＬｘ３は、図中左右方向に向いている。
【００５０】
図５（ｂ）は、放熱器１７、及び裏面導体１４’を示している。また、図５（ｂ）に示すＳｘは、表面導体１３Ｄから熱が伝達される伝熱面を示している。即ち、図５（ａ）に示した熱拡がりΔＬｘ３により熱が伝わる領域が伝熱面Ｓｘである。そして、図中上下方向が裏面導体１４’のｘ軸とされている。従って、熱拡がりΔＬｘ４は、図中上下方向を向いている。その結果、全体的な伝熱面はＳｘ’となる。つまり、表面導体１３Ｄのｘ軸と、裏面導体１４’のｘ軸を、互いに直交する位置関係とすることにより、熱が伝わる領域は伝熱面Ｓｘ’まで拡がる。
【００５１】
例えば、厚み１［ｍｍ］の裏面導体１４’が接合材を介さずにアルミニウム製の放熱器１７（熱伝導率２３７［Ｗ／ｍ・Ｋ］）に固着している場合（熱的に理想的な場合）の熱拡がりΔＬｘ４は、ΔＬｘ４＝７．２［ｍｍ］である。
【００５２】
このように、第２実施形態では、２次元超伝熱導体で形成された裏面導体１４’を用いることにより、絶縁配線基板１１の熱抵抗をより一層低減することが可能となる。更に、伝熱面Ｓｘ’が拡がったことにより、放熱器１７の熱抵抗を低減することが可能となる。従って、パワー半導体チップ１５の最大許容電力損失を増大させることが可能となる。
【００５３】
更に、表面導体及び裏面導体として用いる２次元超伝熱導体の少なくとも一方は、表面がはんだ付け可能な金属めっきでメタライズした板状２次元超伝熱グラファイトで構成されているので、伝熱特性をより一層向上させることが可能となる。
【００５４】
［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。前述した第１、第２実施形態の表面導体及び裏面導体として使用した２次元超伝熱グラファイトは、伝熱特性が優れている反面、ＣｕやＡｌ等の良電導金属と対比して電気抵抗が大きい。従って、電気抵抗を減少させたい場合には、２次元超伝熱グラファイトの厚みを厚くしたり、Ｎｉ−Ｐめっきの厚みを厚くしたりする方策を取る必要がある。第３実施形態では、電気抵抗を低減させたパワー半導体モジュールを提供する。
【００５５】
図６は、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の要部断面を示しており、絶縁配線基板１１”と、パワー半導体チップ１５、及び放熱器１７を備えている。絶縁配線基板１１”は、絶縁板１２と、該絶縁板１２の表面に設けられる低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｄ”、１３Ｓ”と、絶縁板１２の裏面に設けられる２次元超伝熱裏面導体１４”を備えている。
【００５６】
低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｓ”、１３Ｄ”は２層構造とされ、絶縁板１２に接する２次元超伝熱グラファイト層１３-1と、その表面に形成される低抵抗金属板１３-2（低抵抗金属層）を備えている。２次元超伝熱グラファイト層１３-1は、２次元超伝熱グラファイトをｚ軸に平行にスライスしてできた薄い板（厚み１［ｍｍ］程度）である。低抵抗金属板１３-2は、ＣｕやＭｏ等の低抵抗金属の板（厚み０．３〜１［ｍｍ］程度）である。該低抵抗金属板１３-2は、はんだ付け可能な金属でめっきされている。
【００５７】
また、低抵抗金属板１３-2の代わりに、溶射法等で堆積したＣｕやＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｎｉ等の低抵抗金属層（厚み０．３〜１［ｍｍ］程度）でもよい。また、低抵抗２次元超伝熱裏面導体１４”についても、低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｓ”、１３Ｄ”と同様の構成である。即ち、２次元超伝熱グラファイト層と、その裏面に形成される低抵抗金属板から構成される。また、図６に示すその他の構成要素は、前述した第１、第２実施形態と同一であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
【００５８】
なお、前述した第２実施形態と同様の理由により、裏面導体１４”のｘ軸は、表面導体１３Ｄ”のｘ軸と直交する向きとすることが望ましい。また、裏面導体１４”を搭載せず、第１実施形態に示した裏面導体１４としても構わない。
【００５９】
［第３実施形態の製造方法］
次に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の製造方法について説明する。初めに、第１工程として、第１の蝋材を使った活性金属接合法を用いて、所定の形状に加工した２次元超伝熱グラファイト層１３-1と、低抵抗金属板１３-2（ここではＣｕ板とする）を接合して、低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｓ”、１３Ｄ”及び裏面導体１４”の前駆体を形成する。また、活性金属接合法の代わりに、溶射法を用いて低抵抗金属層（例えば、Ｃｕ層）を形成する場合はこの工程で溶射を行う。
【００６０】
第２工程として、第２の蝋材を使った活性金属接合法を用いて、絶縁板１２の表面と裏面に表面導体、裏面導体の前駆体を接合する。ここで、第２の蝋材の融点（または固相線温度）が、第１蝋材の融点（または固相線温度）より少なくとも３０℃以上低くなるように、第１の蝋材、及び第２の蝋材を選択する。また、１種類の蝋材を用いて上記工程１と工程２を同時に行ってもよい。この場合、製造の難易度が高くなるが、製造コストが軽減できるという効果が得られる。
【００６１】
第３工程として、無電解めっき法を用いて、表面導体及び裏面導体の前駆体となる低抵抗金属板１３-2（Ｃｕ板）の表面に、Ｎｉ−Ｐ等のめっき膜（図示省略）を被覆する。必要であれば、その上にフラッシング無電解めっき法で薄いＡｕめっきやＡｇめっきを行う。このＮｉ−Ｐめっき膜は、低抵抗金属板１３-2の前駆体（Ｃｕ板）の表面が酸化してはんだ濡れ性が低下するのを防止するためである。こうして、図６に示す絶縁配線基板１１”が完成する。
【００６２】
上記の第１工程〜第３工程では、低抵抗金属板１３-2の前駆体（Ｃｕ板）の表面だけがＮｉ−Ｐめっきされる。ここで、表面導体及び裏面導体の側面（＝２次元超伝熱グラファイト層１３-1の側面）にもめっきを被覆したい場合は、第１工程の最後に、表面導体及び裏面導体の前駆体の表面と側面に蒸着膜（Ｔｉ／Ｎｉ積層膜等）を被覆するプロセスを挿入すればよい。 第４工程、第５工程は、前述した第１実施形態の第２工程、第３工程と同一であるので説明を省略する。
【００６３】
［第３実施形態の効果］
次に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の効果について説明する。第３実施形態では、図６に示すように、絶縁板１２の表面に低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｄ”、１３Ｓ”を設け、絶縁板１２の裏面に低抵抗２次元超伝熱裏面導体１４”を設けている。従って、前述した第２実施形態と同様に、絶縁配線基板１１”の熱抵抗を低減でき、パワー半導体チップ１５にて発せられる熱を効率よく放熱器１７に伝達することができるという効果を達成できる。
【００６４】
これに加えて、第３実施形態では、低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｄ”、１３Ｓ”を２層構造としている。即ち、２次元超伝熱グラファイト層１３-1と低抵抗金属板１３-2の２層構造としている。更に、低抵抗２次元超伝熱裏面導体１４”も同様に２層構造としている。従って、主電流の流れる配線パスに沿った電気抵抗値を低下させることができ、ひいては、大電流を流すことができるという効果を達成できる。
【００６５】
また、低抵抗金属板１３-2を設けることにより、電気抵抗を低減できる。更に、低抵抗金属板１３-2の厚みを０．３〜１［ｍｍ］の範囲とすることにより、電気抵抗を低減し、且つ、全体の厚みを抑えることができる。
【００６６】
また、低抵抗金属板１３-2の表面が、はんだ付け可能な金属でめっきされているので、低抵抗金属板１３-2の前駆体の表面が酸化してはんだ濡れ性が低下することを防止できる。
【００６７】
更に、第３実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の製造方法では、表面導体を接合する工程として、絶縁板１２の表面（一の主面）に活性金属接合法にて２次元超伝熱グラファイトを接合して２次元超伝熱グラファイト層１３-1を形成する工程と、その表面に低抵抗金属板１３-2を形成する工程を有する。従って、２次元超伝熱グラファイト層１３-1、及び低抵抗金属板１３-2を容易に形成することができ、ひいては、パワー半導体モジュール４０００を簡単な手順で形成することが可能となる。
【００６８】
また、２次元超伝熱グラファイト層１３-1の表面に低抵抗金属板１３-2を形成する工程は、活性金属接合法で接合することにより行われるので、より簡便にパワー半導体モジュール４０００を製造することが可能となる。
【００６９】
更に、２次元超伝熱グラファイト層１３-1の表面に低抵抗金属板１３-2を形成する工程として、２次元超伝熱グラファイトの表面に低抵抗金属を溶射法で堆積する方法を採用する場合においても、簡便にパワー半導体モジュール４０００を製造することが可能となる。
【００７０】
［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図７は、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の構成を示す要部断面図である。第４実施形態では、前述した第３実施形態と対比して、低抵抗２次元超伝熱表面導体１３Ｄ”に設けられる低抵抗金属板１３-2’の構成が相違している。具体的には、第４実施形態では、ボンディングワイヤ１６の下方領域となる部分に、低抵抗金属板１３-2’が存在していない。つまり、低抵抗金属板１３-2’は、電気抵抗を低減するために設けられているものであるから、ボンディングワイヤ１６の下方領域となる部分は不要であり、第４実施形態では、この部分には低抵抗金属板１３-2’を設けていない。
【００７１】
なお、図７に示す１３Ｄ”の表面に立設されるＰ極リード端子１８Ｐ、及び１３Ｓ”の表面に立設されるＮ極リード端子１８Ｎは、電気接続するための端子であり、前述した第１〜第３実施形態では、記載を省略している。つまり、Ｐ極リード端子１８Ｐ、Ｎ極リード端子１８Ｎを備える構成は、第４実施形態の特有の構成ではない。
【００７２】
また、図７に示す絶縁配線基板１１”を構成する材質は、図６に示した絶縁配線基板１１”と同一である。また、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の製造方法は、第３実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７３】
［第４実施形態の効果］
次に、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の効果を説明する。第４実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００は、前述した第３実施形態と同様に、絶縁配線基板１１”の表面、及び裏面にそれぞれ、１３Ｓ”、１３Ｄ”及び１４”を備えているので、絶縁配線基板１１”の熱抵抗を低減できるという効果を達成することができる。
【００７４】
更に、第３実施形態と対比して、低抵抗金属板１３-2’の一部を割愛するので、装置規模を縮小化できる。以下、詳細に説明する。パワー半導体チップ１５（ここでは縦型半導体スイッチを仮定）がターンオン状態にあるとき、パワー半導体モジュール５０００の主電流が流れる経路は、以下の通りである。即ち、図７に示すＰ極リード端子１８Ｐに供給される主電流は、低抵抗金属板１３-2’に伝達され、該低抵抗金属板１３-2’上を、図中左方向に流れる。そして、パワー半導体チップ１５の直下から該パワー半導体チップ１５を通り、ボンディングワイヤ１６を経由して、Ｎ極リード端子１８Ｎに流れる。この主電流の経路は、ボンディングワイヤ１６の下方領域にも低抵抗金属板１３-2が存在する第３実施形態（図６）と全く同じである。従って、第４実施形態では、低抵抗金属板１３-2’が表面導体上の主電流の経路となる領域にのみ配設されるので、低抵抗金属板１３-2’の面積を低減でき、装置規模を縮小化することができる。
【００７５】
［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図８（ａ）は、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００の構成を示す要部断面図、図８（ｂ）は、回路図である。第５実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００は、図８（ｂ）に示すハーフブリッジ回路、即ち、２個の半導体スイッチを直列接続した回路を構成している。大規模な誘導性負荷を制御する電力変換器の主回路には、このハーフブリッジ回路を構成するパワー半導体モジュールが広く用いられている。
【００７６】
図８（ａ）に示すパワー半導体モジュール６０００の断面垂直構造は、第３実施形態に示したパワー半導体モジュール４０００（図６参照）と略同一であり、２つのパワー半導体チップ１５Ｌ、１５Ｈが設置されている点で相違する。即ち、絶縁配線基板１１”は、ＡｌＮ等の絶縁板１２と、該絶縁板１２の表面に設けられる３つの表面導体、即ち、低抵抗２次元超伝熱Ｎ極表面導体１３Ｎ”、低抵抗２次元超伝熱ブリッジ出力表面導体１３Ｂ”、低抵抗２次元超伝熱Ｐ極表面導体１３Ｐ”を備えている。更に、絶縁板１２の裏面に設けられる低抵抗２次元超伝熱裏面導体１４”を備えている。なお、以下では、１３Ｎ”、１３Ｂ”、１３Ｐ”を、単に「表面導体」と略す。また、１４”を「裏面導体」と略す。
【００７７】
表面導体１３Ｎ”の表面には、Ｎ極リード端子１８Ｎが立設され、表面導体１３Ｂ”の表面には、ブリッジ出力リード端子１８Ｂが立設され、更に、表面導体１３Ｐ”の表面には、Ｐ極リード端子１８Ｐが立設されている。表面導体１３Ｂ”の上面には、パワー半導体チップ１５Ｌ（第２のパワー半導体チップ）が搭載され、表面導体１３Ｐ”の上面には、パワー半導体チップ１５Ｈ（第１のパワー半導体チップ）が搭載される。
【００７８】
パワー半導体チップ１５Ｈは、表面導体１３Ｐ”にダイボンドされたハイサイドパワー半導体チップ（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）であり、パワー半導体チップ１５Ｌは、表面導体１３Ｂ”にダイボンドされたローサイドパワー半導体チップ（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）である。
【００７９】
パワー半導体チップ１５Ｌと表面導体１３Ｎ”は、ボンディングワイヤ１６Ｌにより接続され、パワー半導体チップ１５Ｈと表面導体１３Ｂ”は、ボンディングワイヤ１６Ｈにより接続されている。
【００８０】
図８（ｂ）では、パワー半導体チップ１５Ｈ、１５Ｌとして、ボディーダイオードを内蔵したｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを例に挙げて記載している。パワー半導体チップ１５Ｈ、１５Ｌが搭載されている表面導体１３Ｐ”、１３Ｂ”の下方の基板熱抵抗を最小化し、且つ、揃えるために、表面導体１３Ｐ”、１３Ｂ”の横幅を等しくし、パワー半導体チップ１５Ｈ、１５Ｌを表面導体１３Ｐ”、１３Ｂ”の中央に配置されるのが望ましい。
【００８１】
第５実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００の製造方法は、前述した第４実施形態と同一であるので詳細な説明を省略する。そして、ハーフブリッジ回路を構成する第５実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００のパワー半導体チップ１５Ｈ、及び１５Ｌの下方の構造は、前述した第３実施形態と同一であるので、パワー半導体チップ１５Ｈ、１５Ｌの下方の熱抵抗や配線電気抵抗の軽減に関し、第３実施形態と同一の効果を発揮することができる。
【００８２】
以上、本発明のパワー半導体モジュール及びその製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１１、１１’  絶縁配線基板
１２    絶縁板
１３-1  ２次元超伝熱グラファイト層
１３-2  低抵抗金属板
１３-2’  低抵抗金属板
１３Ｂ  ２次元超伝熱ブリッジ出力表面導体
１３Ｎ  Ｎ極表面導体
１３Ｐ  Ｐ極表面導体
１３Ｓ、１２Ｄ  ２次元超伝熱表面導体
１４    ２次元超伝熱裏面導体
１４’  裏面導体
１５    パワー半導体チップ
１５Ｈ  パワー半導体チップ
１５Ｌ  パワー半導体チップ
１６    ボンディングワイヤ
１６Ｈ  ボンディングワイヤ
１６Ｌ  ボンディングワイヤ
１７    放熱器
１８Ｂ  ブリッジ出力リード端子
１８Ｎ  Ｎ極リード端子
１８Ｐ  Ｐ極リード端子
２０００、３０００、４０００、５０００、６０００  パワー半導体モジュール
【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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