(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなるコア層と、金属と繊維からなるクラッド層と、を有する配線材料において、
前記コア層は、銅または銅を含む合金であり、
前記クラッド層は銅または銅を含む合金と、銅よりも低い熱膨張係数を有する繊維で構成され、
当該配線材料は、前記コア層の少なくとも一方側の面が、前記クラッド層と密着した積層構造をしており、
前記クラッド層における繊維は、前記コア層の面と平行に配置され、
前記繊維は、一方の方向と平行に配列された繊維と、前記一方の方向と平行に配列された繊維と垂直な方向に配列された繊維で構成された繊維層を有し、
前記コア層から前記積層方向に遠ざかるにつれて、前記繊維層における繊維の体積密度が大きくなり、
前記クラッド層の厚さは、前記コア層の厚さに対して１／１０〜１／２であることを特徴とする配線材料。
【請求項２】
請求項１に記載の配線材料において、
前記繊維層は、一方の方向と平行に配列された第一の繊維層と、前記一方の方向と垂直な方向に配列された第二の繊維層からなることを特徴とする配線材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の配線材料において、
前記クラッド層は、前記繊維層を複数有し、かつ当該複数の繊維層が前記積層方向に積層しており、
前記配線材料は、前記コア層から前記積層方向に遠ざかるにつれて、前記繊維の数が多くなるように前記繊維層が配置されることを特徴とする配線材料。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の配線材料において、
前記繊維は、アスペクト比が１００以上の繊維であることを特徴とする配線材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の配線材料において、
前記クラッド層における前記繊維が占める体積率は５〜３０％であることを特徴とする配線材料。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の配線材料において、
前記コア層と前記クラッド層が積層した方向と垂直な方向における前記クラッド層の熱膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋであり、かつ前記クラッド層における導電率が、４０×１０6〜６０×１０6／ｍΩであることを特徴とする配線材料。
【請求項７】
金属からなるコア層と、金属と繊維からなるクラッド層と、を有する配線材料と、
電極を有する半導体素子と、
金属層を有する絶縁回路基板と、を有する半導体装置において、
前記クラッド層は銅または銅を含む合金と、銅よりも低い熱膨張係数を有する繊維で構成され、
前記配線材料は、前記コア層の少なくとも一方側の面が、前記クラッド層と密着した積層構造をしており、
前記半導体素子は、前記絶縁回路基板に搭載され、
前記半導体素子における電極と、前記配線材料におけるコア層とは、前記クラッド層を介して接続され、
前記絶縁回路基板における金属層と、前記配線材料におけるコア層とは、前記クラッド層を介して接続され、
前記クラッド層における繊維は、前記コア層の面と平行に配置され、
前記繊維は、一方の方向と平行に配列された繊維と、前記一方の方向と平行に配列され
た繊維と垂直な方向に配列された繊維で構成された繊維層を有し、
前記コア層から前記積層方向に遠ざかるにつれて、前記繊維層における繊維の体積密度が大きくなり、
前記クラッド層の厚さは、前記コア層の厚さに対して１／１０〜１／２であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体モジュールにおいて、
前記繊維は、アスペクト比が１００以上の繊維であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体モジュールにおいて、
前記クラッド層における前記繊維が占める体積率は５〜３０％であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記配線材料は、前記コア層と前記クラッド層が積層した方向と垂直な方向における前記クラッド層の熱膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋであり、かつ前記クラッド層における導電率が、４０×１０6〜６０×１０6／ｍΩであることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記絶縁回路基板は、熱膨張係数が１０×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記絶縁回路基板は、熱膨張係数が２×１０-6〜８×１０-6／Ｋであることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュール等に適用する低熱膨張かつ高電気伝導な配線材料および、それを用いた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
大電流をスイッチング制御するＩＧＢＴパワーデバイスと、スイッチング時に発生する逆電圧を解放するダイオードから構成されるパワー半導体モジュールは、電力変換器（インバータ）の主要構成部品として家電から車両用等の幅広い分野で用いられている。特に、自動車の電動化が進められている中、パワー半導体モジュールが使用される環境が厳しくなっており、冷却を十分に行えない高温雰囲気下であったり、制御する電流容量が増大する方向にある。従って、パワー半導体モジュールの性能として、温度変化の大きい使用環境で長期間に渡り正常動作を確保できる高い信頼性や、大電流通電に伴う素子からの発熱量増大によるデバイスの高温化に耐える高耐熱性が求められる。
【０００３】
従来のパワー半導体モジュールでは、Ｃｕ系またはＡｌ系材料で構成される高熱伝導なベース基板上に、セラミックス等の絶縁回路基板がはんだ等で接合されており、絶縁回路基板を形成するＡｌやＣｕの回路配線上には、はんだを介して半導体素子の電極面が接合されている。さらに、半導体素子の回路面と接する面とは反対の電極面には、ＡｌやＣｕのワイヤ配線が、主電極端子と接続している（例えば特許文献１）。従来の構造では、素子からの発熱量増大に伴い、半導体素子と配線、あるいはベース基板と絶縁回路基板との接合部にかかる熱応力が増大し、はんだ層にクラックを発生させ、接合部の破損を引き起こす。接合部の破損を引き起こす１つの原因として、半導体素子やセラミックス製絶縁基板に対して、ベース基板や配線材料の熱膨張係数が５〜８倍大きくなるため、接合部の応力、歪が増大することが挙げられる。特に、接合界面と同一面内にかかるせん断応力が、接合部の破損に大きな影響を及ぼす。接合界面と同一面内にかかるせん断応力を低減するには、少なくとも接合領域において、ベース基板や配線材料の熱膨張係数を半導体素子やセラミックス製絶縁基板の熱膨張係数と同等にまで低減する必要がある。
【０００４】
特許文献１ではＣｕに低熱膨張のナノ粉末またはナノ繊維を混ぜた配線材料、特許文献２では、低熱膨張繊維にＣｕを含浸させた配線材料を配線として適用している。これらは、Ｃｕ等の導電材料全体に低熱膨張材料を複合化している。低熱膨張材料としてＣ、Ｗ、Ｍｏ等が挙げられるが、これらの低熱膨張材料の電気導電率は、従来配線材料として従来用いられるＣｕやＡｌ等に比べて１／２以下である。特許文献１、及び２では、低熱膨張材料の具体的な含有率が記載されていないが、低熱膨張材料を複合化することで電気導電率が従来の配線材料よりも低くなり、電流損失増加の要因になることが容易に考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１７３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、及び２に開示されているように、導電材料の低熱膨張化は、ＣｕやＡｌをベースとする導電材料に、セラミックス、カーボン等の低熱膨張粒子を複合化することで構成されている。これらの配線材料では、低熱膨張かつ高熱伝導特性を達成するのは容易であり、高熱伝導なベース基板としての利用は可能であると考えられる。しかしながら、半導体素子との接合面内にかかるせん断応力を低減できると共に、高電気導電率が必要とされる配線材料としての利用は困難である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、半導体装置の周囲温度が外因により上昇したり、半導体素子で発生する熱が高温化した場合であっても、半導体素子と配線材料、セラミックスとベース基板との接合部にかかる熱応力を軽減して接合部の信頼性を向上し、かつ高電気伝導を両立した配線材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、金属からなるコア層と、金属と繊維からなるクラッド層と、を有し、前記コア層は、銅または銅を含む合金であり、前記クラッド層は銅または銅を含む合金と、銅よりも低い熱膨張係数を有する繊維で構成され、前記配線材料は、前記コア層の少なくとも一方側の面が、前記クラッド層と密着した積層構造をしており、前記クラッド層における繊維は、前記コア層の面と平行に配置されることを特徴とする配線材料である。
【０００９】
さらに、本発明は、金属からなるコア層と、金属と繊維からなるクラッド層と、を有する配線材料と、電極を有する半導体素子と、金属層を有する絶縁回路基板と、を有し、前記クラッド層は銅または銅を含む合金と、銅よりも低い熱膨張係数を有する繊維で構成され、前記配線材料は、前記コア層の少なくとも一方側の面が、前記クラッド層と密着した積層構造をしており、前記半導体素子は、前記絶縁回路基板に搭載され、前記半導体素子における電極と、前記配線材料におけるコア層とは、前記クラッド層を介して接続され、前記絶縁回路基板における金属層と、前記配線材料におけるコア層とは、前記クラッド層を介して接続されることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体装置の周囲温度が外因により上昇したり、半導体素子で発生する熱が高温化しても、半導体素子と配線材料、絶縁回路基板と高放熱ベースとの接合部にかかる熱応力を軽減して接合部の信頼性を向上させ、かつ高電気電気伝導である配線材料、放熱ベース基板、およびそれを用いた半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、第１の実施形態に関わる配線材料の構成である。（ｂ）は、図１（ａ）の加熱圧接後の構造である。
【図２】（ａ）は、第４の実施形態に関わる配線材料の構成である。（ｂ）は、図２（ｂ）の加熱圧接後の構造である。
【図３】（ａ）は、第５の実施形態でペースト塗布前の配線材料の構成である。（ｂ）は、第５の実施形態でペースト塗布後の配線材料の構成である。（ｃ）は、第５の実施形態でペーストを２度塗布した後の配線材料の構成である。（ｄ）は、図３（ｃ）の加熱圧接後の構造である。
【図４】（ａ）は、第６の実施形態に関わるシート材１４２の作成方法を示すものである。（ｂ）は、シート材１４２を示すものである。（ｃ）は、第６の実施形態に関わる配線材料の構成である。（ｄ）は、図４（ａ）の加熱圧接着後の構造である。
【図５】（ａ）は、第７の実施形態に関わる、配線２０１を搭載した半導体モジュール２００の断面図である。（ｂ）は、配線２０１を半導体モジュール２００に搭載する様子を示したものである。
【図６】（ａ）は、第９の実施形態に関わるリード３０４を搭載した半導体モジュール３００の断面図である。（ｂ）は、リード３０４を半導体モジュール３０４に搭載する様子を示したものである。を用いた半導体モジュールの構成である。
【図７】（ａ）は、第１０の実施形態に関わる配線材料を用いたＬＥＤモジュール４００の断面図である。（ｂ）は、ＬＥＤモジュール４００の斜視図である。
【図８】（ａ）は、第３の実施形態に関わる配線材料の構成である。（ｂ）は、図８（ａ）の加熱圧接後の構造である。
【図９】第８の実施形態に関わる半導体モジュールの構成である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明を実施するための第１の形態を説明する。
【００１３】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に関わる配線材料の構成説明図である。図１（ａ）に示すように、導電性のコア材１０１の両面に、導電性の薄板１０２とコア材よりも低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を順次積層させている。この積層体を加熱圧接することで、コア材１０１で構成するコア層１１１の両面に、薄板１０２と繊維１０３で構成するクラッド層１１２が密着した配線材料１００が得られる。
【００１４】
コア材１０１は、電気伝導性に優れた金属または金属を含む材料が適している。具体的にはＣｕまたはＣｕを含む合金、またはＡｌまたはＡｌを含む合金が良い。特に、Ａｌよりも低熱膨張で導電率の高いＣｕが望ましく、無酸素銅がより望ましい。
【００１５】
また、導電性の薄板１０２は、電気伝導性に優れた金属または金属を含む配線材料が適している。具体的にはＣｕまたはＣｕを含む合金、またはＡｌまたはＡｌを含む合金が良い。特に、Ａｌよりも低熱膨張で導電率の高いＣｕが望ましい。また、薄板１０２の厚さは薄い方が望ましく、１０ｕｍから２００ｕｍの範囲で、繊維１０３の厚さは繊維１０３の外径よりも厚い方がよい。
【００１６】
繊維１０３は、コア材１０１や薄板１０２よりも低熱膨張で、かつ破断強度の高い材料が適している。例えば、アクリル系またはピッチ系の炭素繊維、ガラス繊維、インバー線、タングステン線、モリブデン線が良い。繊維１０３の外径は１ｕｍから２００ｕｍの範囲が望ましい。
【００１７】
繊維１０３を２方向に配列した繊維層をクラッド層１１２内に少なくとも１層配置することで、クラッド層１１２の実効的な熱膨張係数は、コア層１１１とクラッド層１１２の積層方向に比べて、繊維層の面内の熱膨張係数を小さくできる。このとき、配線材料１００の一端から対面の端まで連続した繊維を配置することで、配線材料１００の積層方向に対して垂直方向の熱膨張係数を低減する効果が大きくなる。
【００１８】
また、クラッド層１１２の表面は、導電性の薄板１０２で覆われて繊維１０３が露出していないため、めっき等の表面処理が容易になる。
【００１９】
本実施形態では、低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を積層させているが、この形態に限らなくてよい。例えば、繊維１０３を１方向に平行配列した第１の繊維層と、該第１の繊維層とは９０度異なる方向に繊維を平行配列した第２の繊維層とで構成する１組の繊維層を形成しても、繊維層の面内の熱膨張係数を小さくできる。
【００２０】
繊維１０３を配列した繊維層を複数積層することで、クラッド層１１２の面内の熱膨張係数を実効的に低くすることが可能になる。さらに繊維層を積層する際、繊維の体積密度がコア層１１１に向かって低くなるように、各層での繊維間隔を広げることで、クラッド層１１２内で厚さ方向に熱膨張係数の分布を持たせ、コア層１１１とクラッド層１１２との境界で生じる歪を低減することができる。
【００２１】
クラッド層１１２内で、繊維層の面内の熱膨張係数は、繊維１０３の配置間隔で調整できる。繊維１０３の配置間隔を狭くすることで、クラッド層１１２での繊維１０３の体積含有率が増加し、熱膨張係数を実効的に下げることが可能になる。ただし、繊維１０３の体積含有率を上げ過ぎると導電率が低くなる。繊維層の面内の低熱膨張かつ、配線材料１００の高導電を両立するには、両面に設けたクラッド層１１２で繊維１０３が占める体積率は５〜３０％であることが望ましい。また、クラッド層１１２の全厚さをコア層１１１の厚さと同じもしくはそれ以下とし、かつコア層１１１とクラッド層１１２で構成した配線材料内を繊維１０３が占める体積率が２.５〜２０％にすることで、配線材料１００が高導電率化する。
【００２２】
また、他のクラッド層１１２の形成方法として、アスペクト比の大きい繊維を、該繊維の長手方向が、前記コア層１１１と前記クラッド層１１２の積層方向に対してほぼ垂直方向を向くように配置してもよい。この場合、該繊維の配向方向が一方向に揃っていると、クラッド層１１２の面内方向において、熱膨張係数の高い方向と熱膨張係数の低い方向ができてしまい、クラッド層の面内方向で熱膨張係数が不均一になってしまう。従って、熱膨張係数を低減しつつ、高導電率化するためには、繊維のアスペクト比（長さ／直径）が１００以上であり、配向方向が一方向に揃っていないことが望ましい。
【００２３】
また、前記クラッド層の厚さは、薄すぎると低熱膨張化の効果が生じず、厚すぎると電気導電率の低下を生じることから、コア層の厚さに対して適切な比に設定する必要がある。具体的には、コア層の厚さに対してクラッド層の厚さを１／１０〜１／２に設定するのが良い。
【００２４】
本実施形態では、導電性のコア材１０１の両面に、導電性の薄板１０２とコア材よりも低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を順次積層させて加熱圧接することで、配線材料１００を得ているが、これに限らなくてもよい。例えば、コア層１１１表面に少なくとも１層の繊維層を配置し、繊維層に金属粒子を含むペーストを充填した後、加熱加圧して一体化しクラッド層１１２を形成してもよい。
【００２５】
本実施形態では、コア材１０１で構成するコア層１１１の両面に、薄板１０２と繊維１０３で構成するクラッド層１１２を密着させているが、この方法に限るものではない。銅粉と、アスペクト比が１００以上の繊維との混合粉を焼結させたシートを作製した後、シートをコア材１０１に加熱圧接させてもよい。
【００２６】
本実施形態で得られた配線材料１００は、コア層１１１と前記クラッド層１１２の積層方向に対して垂直方向のクラッド層１１２の熱膨張係数が１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋであり、かつ配線材料１００の導電率が４０×１０6〜６０×１０6／ｍΩであれば、Ｃｕよりも低熱膨張であり、かつＡｌよりも高電気伝導な配線材料を構成できる。
【００２７】
本実施形態の配線材料１００は、熱膨張係数が１０×１０-6／Ｋ以下の材料と接合することで、接合体の機能が向上する。具体的には、ＳｉやＳｉ化合物半導体の半導体素子や、酸化物または窒化物のセラミックス基板は熱膨張係数が２×１０-6〜８×１０-6／Ｋである。
【００２８】
本実施形態では、クラッド層１１２の形成領域を言及しなかったが、配線材料１００のクラッド層は少なくとも半導体素子の電極または、セラミックス絶縁基板との接合領域に形成されていればよい。
【００２９】
本実施形態の配線材料１００と、半導体素子の電極またはセラミックス絶縁基板との接合には、Ｐｂ、Ｓｎを含むはんだ、Ａｇ、Ｃｕを含む焼結体、Ｓｎを含む合金層等の適用可能である。中でも、Ａｇ、Ｃｕを含む焼結体は、他の接合層に比べて熱膨張係数を小さくでき電気伝導率も高く、かつ配線材料１００のクラッド層１１２の表面との接合性も良好である。さらに、ＡｇやＣｕ粒子と共に、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌＮ等の低熱膨張粒子を混ぜることで、焼結層の低熱膨張化が可能になる。また、接合層の厚さの薄い方が接合界面での低熱膨張化の効果が高い。具体的には、１〜５０ｕｍの厚さが望ましい。
【００３０】
本発明の配線材料１００を半導体素子の電極に接合することで、接合部の破損に大きな影響を及ぼす接合界面と同一面内にかかるせん断応力を低減することが可能になる。特に、半導体素子の動作温度が１７５℃〜３００℃に達する場合、応力の低減効果が大きい。
【００３１】
また、本発明の配線材料１００は、Ａｌに比べて低熱膨張かつ高導電であるのに加え、高熱伝導でもある。従って、利用方法としては、配線材料に限らず、放熱ベース基板としても利用してもよい。
【００３２】
本発明の配線材料は、家電、自動車、風力・太陽光発電、鉄道、産業機器向け電力変換システムに用いる電力変換器用半導体素子や、ＬＥＤ等の発熱を伴う光半導体素子を駆動するための半導体モジュールで使用する配線材料または放熱ベース基板として用いることができる。
【００３３】
〔実施形態１〕
本実施形態では、図１に示す配線材料の構成および作製方法について説明する。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、配線材料１００は、導電性のコア材１０１の両面に、導電性の薄板１０２とコア材よりも低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を順次積層させて作成した。コア材１０１として１０mm×５０mm×厚さ０.２５mm、純度９９.９５％の無酸素銅を、導電性の薄板１０２として１０mm×５０mm×厚さ０.０５mm、純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。繊維１０３として、直径０.０２mmのピッチ系炭素繊維を使用した。繊維１０３を、前記コア材１０１の短辺方向に７４本、長辺方向に３８２本を、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列させることで繊維層を形成した。図示しないが、繊維１０３の表面にはＣｕのメタライズ処理を施した。
【００３５】
薄板１０２、繊維層、薄板１０２、繊維層、コア材１０１、繊維層、薄板１０２、繊維層、薄板１０２の順に積層した積層体を形成した。該積層体を窒素と水素による還元雰囲気中に荷重３０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、２０分間ホットプレス法で圧着した。結果として、図１（ｂ）に示すような配線材料１００が得られる。配線材料１００は、０.２５mm厚さのコア層１１１の両面に、厚さ０.１２５mmのクラッド層１１２で構成されている。クラッド層１１２をコア層１１１の両面に同時に形成したことで、配線材料１００の反りは生じなかった。クラッド層１１２内を占める炭素繊維１０３の体積率は約２０％、配線材料１００内を占める炭素繊維１０３の体積率は約１０％になった。また配線材料１００の電気導電率を測定したところ長辺方向に対して約５０×１０6／ｍΩであった。比較のため、１０mm×５０mm×０.５mmのＡｌ板の導電率を測定したところ、３６×１０6／ｍΩであったことからＡｌよりも高導電率な配線材料が得られた。また、得られた配線材料の表面はＣｕであることから、接合材との接合性の向上または、腐食防止を目的としてめっき等の表面処理も容易になった。なお、クラッド層の熱膨張係数については、後述する実施形態２で示すように、繊維１０３の本数や繊維１０３の材料を変えることによって、変化させることが可能である。本実施例の場合は、クラッド層の熱膨張係数は５.５〜７×１０-6／Ｋとなる。なお熱膨張係数については、実施形態２で述べるが、適切な熱膨張率になるようにクラッド層の繊維体積率を変化させても良い。
【００３６】
本実施形態のように、繊維層及び薄板１０２を用い、かつ当該繊維層及び薄板１０２を複数枚有する構造にすることによって、クラッド層１１２の熱膨張係数を実効的に低減し、かつ高導電率化することが可能となる。
【００３７】
〔実施形態２〕
本実施形態では、実施形態１で説明したような配線材料において、コア材１０１とクラッド層１１２の積層方向に対して垂直方向の熱膨張係数を評価するための材料構成、製造方法、評価結果を説明する。本実施形態では、コア材１０１の片面にのみクラッド層１１２を形成した配線材料を試作した。
【００３８】
表１は、熱膨張係数を評価するための配線材料Ａ〜Ｅの構成を示している。配線材料は、導電性のコア材１０１の片面に、導電性の薄板１０２と、薄板１０２よりも低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を順次積層させて構成した。コア材１０１および導電性の薄板１０２として純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。繊維１０３として、直径０.０２mmのピッチ系炭素繊維を使用した。繊維１０３を、表１に記載の本数を、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列させることで繊維層を形成した。繊維１０３の表面にはＣｕのメタライズ処理を施した。
【００３９】
【表１】
0005719740.tif 000002
【００４０】
薄板１０２、繊維層、薄板１０２、繊維層、コア材１０１の順に積層した積層体を形成した。該積層体を窒素と水素による還元雰囲気中に荷重３０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、２０分間ホットプレス法で圧着させた。結果として、表１中に示す大きさ、繊維体積率の各種配線材料Ａ〜Ｅが得られた。
【００４１】
得られた配線材料で、コア層とクラッド層の積層方向に対して垂直方向の熱膨張係数、電気導電率を測定した。測定温度範囲は５０℃〜２５０℃とした。熱膨張係数、電気伝導率の測定結果を表２に示す。比較のため、コア材１０１および導電性の薄板１０２として使用した無酸素銅材を１０mm×５０mm×０.２mmに加工して熱膨張係数を測定したところ、約１７×１０-6／Ｋであったことから、コア材とクラッド層の積層方向に対して垂直方向の熱膨張係数がコア材よりも小さい配線材料が得られた。また、サンプルＡ〜Ｄでは、Ａｌ板の導電率（３６×１０6／ｍΩ）よりも高導電率であった。
【００４２】
【表２】
0005719740.tif 000003
【００４３】
以上の結果から、クラッド層内での繊維の体積率を１０〜３０％となるように繊維の直径、本数、導電性薄板の厚さを調整することで、コア層とクラッド層の積層方向に対して垂直方向の熱膨張係数１０×１０-6／Ｋが以下、電気導電率が４０×１０6／ｍΩ以上となる配線材料を作製できることがわかった。
【００４４】
〔実施形態３〕
本実施形態で、実施形態１とは異なる点について説明する。実施形態１と異なる点は、本実施形態のクラッド層１５２では、コア層１１１に近い部分ほど、熱膨張係数が高くなる、言い換えるとクラッド層１５２の熱膨張係数が、コア層１１１から離れるにつれて小さくなるような構成となっている点である。
【００４５】
図８（ａ）、及び（ｂ）は、本発明の実施形態３の配線材料の構成、及び作成方法を示すものである。配線材料１５０は、導電性のコア材１０１の両面に、導電性の薄板１０２とコア材よりも低熱膨張な繊維１０３を直交配列した繊維層を順次積層させて構成した。コア材１０１として１０mm×５０mm×厚さ０.６mm、純度９９.９５％の無酸素銅を、導電性の薄板１０２として１０mm×５０mm×厚さ０.０４mm、純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。繊維１０３として、直径０.０４mmのアクリル系炭素繊維を使用した。図８（ａ）は、繊維１０３で構成する繊維層をクラッド層内に４層設け、各層における繊維１０３の本数を変えて、繊維密度を厚さ方向に変化させた様子を示すものである。なお、図８（ａ）及び（ｂ）では４層構造ではなく、２層構造に簡略化されて描かれているが、各繊維層で繊維１０３の本数を変化させるという点は４層構造のものと共通である点に留意する。
【００４６】
コア材１０１に最も近い、１層目の繊維層における繊維１０３の配列本数はコア材１０１の短辺方向に８本、長辺方向に４５本とし、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列させることで繊維層を形成した。次に積層する２層目の繊維層では繊維１０３の配列本数が短辺方向に１３本、長辺方向に６８本、３層目の繊維層では繊維１０３の配列本数が短辺方向に１７本、長辺方向に９１本、４層目の繊維層では繊維１０３の配列本数が短辺方向に２１本、長辺方向に１１４本、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列した。また、繊維１０３の表面には化学気層成長法（ＣＶＤ法）でＳｉＣコートを施した。
【００４７】
薄板１０２、繊維層４層目、薄板１０２、繊維層３層目、薄板１０２、繊維層２層目、薄板１０２、繊維層１層目、コア材１０１、繊維層１層目、薄板１０２、繊維層２層目、薄板１０２、繊維層３層目、薄板１０２、繊維層４層目、薄板１０２の順に積層した積層体を形成した。該積層体を窒素と水素による還元雰囲気中に荷重３０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、２０分間ホットプレス法で圧着させた。
【００４８】
結果として、配線材料１００は、０.６mm厚さのコア層１１１の両面に、厚さ０.２mmのクラッド層１５２で構成された。このとき、クラッド層１５２内を占める炭素繊維１０３の体積率は約２０％、配線材料１５０内を占める炭素繊維１０３の体積率は約８％になった。また配線材料１５０の電気導電率を測定したところ長辺方向に対して約５４×１０6／ｍΩであった。比較のため、１０mm×５０mm×１mmのＡｌの導電率を測定したところ、３６×１０6／ｍΩであったことからＡｌよりも高導電率な配線材料が得られた。また、得られた配線材料の表面はＣｕであることから、接合材との接合性の向上または、腐食防止を目的としてめっき等の表面処理も容易になった。また、クラッド層１５２の熱膨張係数は、１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋの範囲内の値になっている。
【００４９】
本実施形態では繊維１０３の体積率がコア層１１１から離れるにつれて大きくなることによって、コア層１１１の近傍における導電率は高く保ちつつ、クラッド層１５２の熱膨張係数を低減することができる。さらに、コア層１１１から離れた部分におけるクラッド層１５２では、繊維１０３の体積率を大きくすることによって半導体素子等と接続される近傍で熱膨張係数を下げることができるので、繊維１０３を使用する量を最小限に抑えつつも、半導体素子との接合界面での歪みを小さくすることができる。
【００５０】
以上のように、本実施形態では、実施形態１と比較して繊維１０３を少なくしつつも、低熱膨張率かつ高導電率な配線材料１５０を提供することが可能となる。
【００５１】
〔実施形態４〕
本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）に示す配線材料１２０の構成および作製方法について説明する。
【００５２】
図２（ａ）に示すように、配線材料１２０は、導電性のコア材１０１の両面に、導電性の薄板１０２とコア材よりも低熱膨張な繊維１０３を配列した繊維層を順次積層させて構成した。コア材１０１として１０mm×５０mm×厚さ０.２５mm、純度９９.９５％の無酸素銅を、導電性の薄板１０２として１０mm×５０mm×厚さ０.１mm、純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。繊維１０３として、直径０.０４mmのピッチ系炭素繊維を使用した。繊維１０３を、前記コア材１０１の短辺方向に１４本、長辺方向に８１本を、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列させることで繊維層を形成した。さらに、図示しないが、繊維１０３の表面にはＣｕのメタライズ処理を施した。
【００５３】
薄板１０２、繊維層、繊維層、コア材１０１、繊維層、繊維層、薄板１０２の順に積層した積層体を形成した。該積層体を窒素と水素による還元雰囲気中に荷重３０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、２０分間ホットプレス法で圧着させた。結果として、図２（ｂ）に示すような配線材料１２０が得られた。配線材料１２０は、０.２５mm厚さのコア層１１１の両面に、厚さ０.１１mmのクラッド層１２２で構成された。このとき、クラッド層１２２内を占める炭素繊維１０３の体積率は約１０％、配線材料１２０内を占める炭素繊維の体積率は約５％になった。また配線材料１２０の電気導電率を測定したところ長辺方向に対して約５６×１０6／ｍΩであった。また、クラッド層１２２の熱膨張係数は、１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋの範囲内の値になっている。さらに、得られた配線材料の表面はＣｕであることから、接合材との接合性の向上または、腐食防止を目的としてめっき等の表面処理も容易になった。
【００５４】
以上のように、本実施形態では、網目状の繊維層ではなく、単純な１本の繊維を使用した場合であっても、網目状の繊維層を使用した場合と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
〔実施形態５〕
本実施形態では、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）が示す配線材料１３０の構成および作製方法について説明する。
【００５６】
配線材料１３０には、コア材１０１として１０mm×５０mm×厚さ０.２５mm、純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。繊維１０３として、直径０.０２mmのピッチ系炭素繊維を使用した。繊維１０３を、前記コア材１０１の短辺方向に４３本、長辺方向に２２５本を、１０mm×５０mmの範囲に収まるように等間隔、かつ直交配列させることで繊維層を形成した様子を図３（ａ）に示す。図示しないが、繊維１０３の表面にはＣｕのメタライズ処理を施した。また、図３（ｂ）に示すように、クラッド層１３２の形成およびコア材と１０１と繊維層を密着させるために、平均粒径０.０５mm以下の酸化銅粒子をトルエンに分散させたペースト材を、繊維層を埋めるように塗布した。本実施形態では、図３（ｃ）に示すように、繊維層を２層積層していることからペースト塗布を２回行った。
【００５７】
コア材１０１の片面に、繊維層、ペースト層１０４、繊維層、ペースト層１０４の順に積層した積層体を、温度３５０℃で５分間、水素雰囲気中で加熱した。加熱の際、ペースト層１０４上にＳｉＮの平板を当て、１×１０6Ｐａで加圧した。加熱、加圧が終了後、ＳｉＮの平板を外すことで、図３（ｄ）に示す配線材料１３０が得られた。配線材料１３０は、０.２５mm厚さのコア層１１１の片面に、厚さ０.１mmのクラッド層１３２で構成された。このとき、クラッド層１３２内を占める炭素繊維１０３の体積率は約１５％、配線材料１３０内を占める炭素繊維１０３の体積率は約４％になった。また配線材料１３０の電気導電率を測定したところ長辺方向に対して約５３×１０6／ｍΩであった。さらに、クラッド層１３２の熱膨張係数は、１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋの範囲内の値になっている。
【００５８】
本実施形態のようにペースト材を用いても、実施形態１と同様に低熱膨張率かつ高伝導率な配線材料１３０を提供することができる。
【００５９】
〔実施形態６〕
本実施形態では、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）に示す配線材料１４０の構成および作製方法について説明する。
【００６０】
はじめにクラッド層１４３を作製するために、直径０.０１mm、長さ１〜１.５mmのアクリル系炭素繊維１０５と、粒径０.０２mm以下の銅粉１０６の混合粉を作製した。繊維１０５の表面には化学気層成長法（ＣＶＤ法）でＳｉＣコートを施した。繊維１０５と銅粉１０６の体積比を０.２：０.８とした。混合粉１０６を５０mm×１０mm×０.１５mmの型１４１に配置してプリフォームを形成し、窒素と水素による還元雰囲気中に荷重５０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、１５分間ホットプレス法で焼成した。焼成後、５０mm×１０mm×０.１５mmのシート材１４２が得られた。シート材１４２でのアクリル系炭素繊維１０５の長さ方向は、シート材１４２の面内方向とほぼ一致し、かつ特定の方向に揃って配向していない。また、シート材１４２を占めるアクリル系炭素繊維１０５の体積率は約２０％である。
【００６１】
次に、得られたシート材１４２を、コア材１０１の両面に密着させて配線材料を作製した。コア材１０１として１０mm×５０mm×厚さ０.２５mm、純度９９.９５％の無酸素銅を使用した。シート材１４２、コア材１０１、シート材１４２の順に積層した積層体を、窒素と水素による還元雰囲気中に荷重３０×１０6Ｐａを負荷し、温度１０００℃で、２０分間ホットプレス法で圧着させることで、配線材料１４０が得られた。配線材料１４０は、０.５mm厚さのコア層１１１の両面に、厚さ０.２mmのクラッド層１４２で構成された。このとき、クラッド層１４３内を占めるアクリル系炭素繊維１０５の体積率は約１６％、配線材料１４０内を占める炭素繊維１０３の体積率は約４％になった。得られた配線材料１４０の電気導電率を測定したところ長辺方向に対して約５７×１０6／ｍΩであった。また、クラッド層１４３の熱膨張係数は、１×１０-6〜１０×１０-6／Ｋの範囲内の値になっている。
【００６２】
本実施形態によって、実施形態１のように繊維１０３を所定の方向に揃える必要が無くなり、より簡便にクラッド層１４２を作成することが可能になる。さらに、実施形態１で述べたような直交配列した繊維１０３を使用する必要がなくなるため、実施形態１よりも低コストな配線材料を提供することが可能となる。
【００６３】
〔実施形態７〕
本実施形態では、実施形態１で作製した配線材料を配線として利用した半導体モジュール２００の構成を説明する。
【００６４】
図５（ａ）、及び（ｂ）は、本実施形態に関わる半導体モジュール２００の構成を説明する図である。図５（ａ）は、配線２０１を搭載した半導体モジュール２００の断面図である。放熱ベース基板２０７上に、セラミックス基板２０６の両面に回路として機能する金属層２０４、２０５を張り付けた絶縁回路基板が、接合層２１２を介して接合されている。セラミックス基板２０６表面の金属層２０４上には、接合層２１１を介してスイッチング素子（ＩＢＧＴ）２０２とダイオード２０３の電極面が接合されている。さらに、ＩＧＢＴ２０２における回路基板と接する面とは反対の電極面には、ＩＧＢＴ２０２のスイッチング動作を制御するゲート端子が設けられており、ゲート端子と回路基板上の制御回路部とをワイヤ２１３で接続している。また、ＩＧＢＴ２０２、ダイオード２０３、そして絶縁回路基板の１部と、配線材料で構成した配線２０１で接続した。配線２０１は、各半導体素子および絶縁回路基板と接合層２１１を介して接続した。
【００６５】
各部材の大きさ、材質は以下の通りである。放熱ベース基板２０７は、１００mm×１００mm×５mmのアルミシリコンカーバイド（Ａｌ−ＳｉＣ）板、であり、絶縁回路基板は、５０mm×５０mm×０.６３５mmのＡｌＮ板の片面に、５０mm×５０mm×０.２mmのＣｕ箔を、もう一方の面に最外形４８mm×４８mm×０.３mmの回路パターンを加工したＣｕ箔をそれぞれ張り付けた基板である。放熱ベース基板２０７とセラミックス基板２０６は、５０mm×５０mm×０.２mm、のＳｎＣｕ系のシートはんだである接合層２１２で接合される。ＩＧＢＴ、ダイオードは、１４mm×１４mm×０.４mm、Ｓｉ半導体素子。ワイヤ２１３は、直径０.４mmのＡｌワイヤ。接合層２１１は、厚さ０.０２mmの焼結銀層。配線２０１は、実施形態１で作製した配線材料の一部を湾曲したものである。
【００６６】
作製方法を以下に説明する。金属層２０４、２０５及びセラミックス基板２０６から構成される絶縁回路基板上におけるＩＧＢＴ２０２、ダイオード２０３それぞれの素子を、２個ずつを接合する位置に、接合材を塗布した。また、配線２０１に対しては、素子、回路基板それぞれを接合する位置に、接合材を塗布した。ここで、接合材には、平均粒径０.１mm以下の酸化銀粒子をトルエンに分散させたペースト材を用いた。さらに図５（ｂ）に示すように、絶縁回路基板、ＩＧＢＴ２０２及びダイオード２０３、配線２０１の順に、接合材の塗布位置と素子の位置を合せて搭載した。そして、大気雰囲気中で、２５０℃で５分間、荷重０.２×１０6Ｐａ／１素子で加熱・加圧し、絶縁回路基板／素子／配線の接合体を作製した。また、ＩＧＢＴ２０２のゲート端子と回路基板上の制御回路部をＡｌワイヤを用いて超音波接合法で接合した。得られた接合体を、シートはんだ２１２を介してベース基板２０７上に配置し、水素雰囲気中で、３００℃で５分間加熱することで、半導体モジュール２００が得られた。
【００６７】
作製した半導体モジュール２００を温度サイクル試験（−４５℃〜１５０℃、２０００サイクル、投入試料数５個）に投入した。ＩＧＢＴ２０２と配線２０１間、及びダイオード２０３と配線２０１間の接合界面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面観察したところ、接合界面、接合層共にクラックは観察されなかった。また、電気特性、伝熱特性にも、試験投入前からの変化が観察されなかった。
【００６８】
比較のため、配線２０１を厚さ０.５mmのＣｕに置き換えた半導体モジュール２００を作製し温度サイクル試験に投入したところ、配線２０１と接合層２１１との界面近傍で、素子端部から２〜５mmの長さのクラックが観察され、電気特性、伝熱特性も試験投入前に比べて劣化した。
【００６９】
以上の結果から、本実施形態の配線材料を利用することで、半導体素子との接合部にかかる応力を低減でき、半導体モジュールの高信頼化が可能になった。
【００７０】
〔実施形態８〕
本実施形態では、実施形態７で作製した半導体モジュールにおいて、ベース基板２０７と絶縁回路基板の金属層２０４、２０５を本発明の配線材料２０１に置き換えた半導体モジュール２２０の構成を説明する。他の部材、および作製方法は実施形態７と同じであることから、異なる点を説明する。
【００７１】
図９は、本実施形態にかかる半導体モジュール２２０を示すものである。ベース基板２０７は、実施形態７に記載の配線材料と同様の方法で作製した。厚さ３mmのコア材の両面に、厚さ１mmのクラッド層を形成した。クラッド層は、直径０.０１mm、長さ１〜１.５mmのアクリル系炭素繊維と銅粉の混合粉を焼結させた厚さ０.２mmのシート材を５枚積層して形成した。クラッド層内での繊維の平均体積率を約１５％とした。
【００７２】
絶縁回路基板の金属層２０４、２０５は、厚さ０.２５mmのコア材の両面に、厚さ０.１２５mmのクラッド層を形成した。クラッド層内には、直径０.０２mmのアクリル系炭素繊維を直交する２方向に配列させており、その体積率はクラッド層内で約１０％とした。金属層２０４は、予め回路パターン形状に加工した配線材料を張り付けた。
【００７３】
接合層２１１、２１２は、酸化銅粒子とＡｌ2Ｏ3粒子を混ぜたペースト材を塗布、焼結させることで形成した。接合層２１１の厚さは０.０５mm、接合層２１２の厚さは０.１mmとなるように塗布量および加圧を調整した。
【００７４】
作製した半導体モジュール２２０を温度サイクル試験（−４５℃〜１５０℃、２０００サイクル、投入試料数５個）に投入した。ＩＧＢＴ２０２と配線２０１間、ダイオード２０３と配線２０１間の接合界面、ＩＧＢＴ２０２と絶縁回路基板の接合界面、ダイオード２０３と絶縁回路基板の接合界面、絶縁回路基板とベース基板２０７の接合界面それぞれを電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面観察したところ、接合界面、接合層共にクラックは観察されなかった。また、電気特性、伝熱特性にも変化が観察されなかった。
【００７５】
以上の結果から、本実施形態の配線材料を回路配線材料と放熱ベース基板として利用することで、各部材の接合部にかかる応力を低減でき、半導体モジュールの高信頼化が可能になった。なお、本実施例の配線材料を放熱ベース基板として利用する場合、Ｃｕをコア層とクラッド層に使用していることから、従来の低熱膨張材料であるＡｌ−ＳｉＣに比べて熱伝導率が高くかつ、従来の高熱伝導であるＣｕに比べて接合界面でのせん断応力を低減できる利点がある。
【００７６】
〔実施形態９〕
本実施形態では、実施形態５と同様に、作製した配線材料を半導体モジュール３００に適用した構成について説明する。
【００７７】
図６（ａ）、及び（ｂ）は、本実施形態に関わる半導体モジュール３００の構成を説明する図である。図６（ａ）は、実施形態５に記載された配線材料を配線として有するリード３０４を搭載した半導体モジュールの断面図である。ＩＧＢＴ３０２とダイオード３０３の両面に、接合層３１１を介してリード３０４を接合した。また、ＩＧＢＴ３０２のゲート端子と、外部の制御回路とを接続する端子３０６とをワイヤ３１３で接続した。さらに、各リード３０４、素子電極間を絶縁するために樹脂３０７による封止を行った。ＩＧＢＴ３０２とダイオード３０３は１３mm×１３mm×０.１mmのＳｉ半導体素子、ワイヤ３１３は直径０.３mmのＡｌ製、絶縁樹脂３０７はエポキシ系樹脂を利用した。接合層３１１は、厚さ０.０３mmの焼結銀層である。
【００７８】
リード３０４の作製方法を以下に説明する。最厚部３２４が１.５mm、最薄部３１４が１mmの無酸素銅を適用した。最厚部３２４で素子３０２と３０３を挟みこんで接合する。そこで、最厚部３２４の表面に、厚さ０.１mmのクラッド層を設けた。クラッド層の構造および作製方法は例えば実施形態５と同じであることから説明を省略する。作製したリード３０４のクラッド層１１２内を占める炭素繊維１０３の体積率は約１５％になった。
【００７９】
半導体モジュール３００の作製方法を以下に説明する。リード３０４上で、ＩＧＢＴ３０２とダイオード３０３を接合する領域に、平均粒径０.１mm以下の酸化銀粒子をトルエンに分散させたペースト材を塗布した。図６（ｂ）に示すように、ペースト材を塗布したリード３０４を、ＩＧＢＴ３０２とダイオード３０３の両面に配置し、大気雰囲気中で、２５０℃で５分間、荷重０.５×１０6Ｐａ／１素子で加熱・加圧し、接合体を作製した。また、ＩＧＢＴ３０２のゲート端子と外部の制御回路とを接続する端子３０６とを、超音波接合法を用いてワイヤ３１３で接続した。そして、トランスファーモールド法で樹脂３０７による封止を行うことで、半導体モジュール３００が得られた。
【００８０】
作製した半導体モジュール２００を温度サイクル試験（−４５℃〜１５０℃、２０００サイクル、投入試料数５個）に投入した。ＩＧＢＴ３０２とリード３０４間の接合界面、ダイオード３０３とリード３０４間の接合界面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面観察したところ、接合界面、接合層共にクラックは観察されなかった。また、電気特性、伝熱特性にも、試験投入前からの変化が観察されなかった。
【００８１】
以上の結果から、クラッド層を半導体素子と接合する領域に形成したリードとして利用することで、各半導体素子との接合部にかかる応力を低減でき、半導体モジュールの高信頼化が可能になった。
【００８２】
〔実施形態１０〕
本実施形態では、実施形態５と同様に作製する配線材料を放熱ベースとして利用したＬＥＤモジュールの構成を説明する。
【００８３】
図７（ａ）、及び（ｂ）は、本実施形態に関わるＬＥＤモジュール４００の構成説明図である。図７（ａ）は、実施形態５等に記載された配線材料を用いたＬＥＤモジュール４００の断面図を示すものである。ＬＥＤ素子４０２を搭載した絶縁回路基板の外周部に樹脂製の反射板４２０を成形し、さらにＬＥＤ素子４０２の周囲は透明樹脂で封止した。絶縁回路基板として、放熱と絶縁を兼ねたＡｌ2Ｏ3基板４０７の表面に、厚さ０.２mmの銅製配線４０４、４０６を形成した。さらに、配線４０４とＬＥＤ素子４０２を接合する面には、厚さ０.１mmのクラッド層４０５を形成している。クラッド層４０５は、実施形態５と同様の形成方法で作製した。直交する２方向に配列した炭素繊維層２層に銅粒子を含むペーストを塗布、焼結した。クラッド層を占める炭素繊維の体積率は約１０％となるように配置した。図７（ｂ）は、ＬＥＤモジュール４００の斜視図である。クラッド層配線４０４上に、ＬＥＤ素子４０２の１電極面を、接合層４１１を介して接合した。また、ＬＥＤ素子４０２のもう一方に設けた電極端子は、配線４０６とＡｌワイヤ４１３で接続した。接合層４１１は厚さ０.０２mmの焼結銀層である。
【００８４】
作製したＬＥＤモジュール４００を温度サイクル試験（−４５℃〜８５℃、２０００サイクル、投入試料数１０個）に投入した。ＬＥＤ素子４０２と回路配線４０４間の接合界面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面観察したところ、接合界面、接合層共にクラックは観察されなかった。また、絶縁回路基板の伝熱特性、ＬＥＤの発光量も試験投入前からの変化が観察されなかった。したがって、低熱膨張率かつ、高伝導率で、信頼性の高いＬＥＤモジュール４００を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００８５】
１００  配線材料
１０１  コア材
１０２  導電性の薄板
１０３  繊維
１１１  コア層
１１２、１２２、１３２、１４３、１５２、３０５  クラッド層
【図１】
0005719740.tif 000004
【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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