(57)【要約】  熱抵抗の低減と熱応力の抑制とを両立可能な複合基板及びパワーモジュールを提供する。基板１０は、半導体チップ１６と該半導体チップ１６が実装される基板１０と半導体チップ１６から発生した熱を放熱する冷却器１８とを備えるパワーモジュール１において用いられ、平板状をなす絶縁基材１１と、該絶縁基材１１の一方の面に設けられ、回路パターンが形成される回路層１２と、絶縁基材１１の他方の面に設けられた金属層１３と、該金属層１３の表面に、銅と、鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかからなる添加材とを含む複合材により形成された緩衝層であって、冷却器１８と接着される緩衝層１４とを備える。
2016021561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子が実装される複合基板と、前記半導体素子から発生した熱を放熱する冷却器とを備えるパワーモジュールにおいて用いられる複合基板であって、
平板状をなす絶縁基材と、
前記絶縁基材の一方の面に設けられ、回路パターンが形成される第１の金属層と、
前記絶縁基材の他方の面に設けられた第２の金属層と、
前記第２の金属層の表面に、銅と、鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかからなる添加材とを含む複合材により形成された緩衝層であって、前記冷却器と接着される緩衝層と、
を備えることを特徴とする複合基板。
【請求項２】
前記緩衝層の熱膨張率は、７．１×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
【請求項３】
前記緩衝層の熱伝導率は、７５Ｗ／ｍＫ以上２２０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合基板。
【請求項４】
前記緩衝層は、銅の粉末と前記添加材の粉末とを混合した混合粉末をガスと共に加速し、前記第２の金属層の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基板。
【請求項５】
前記第１の金属層の表面に金属により形成された熱拡散層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基板。
【請求項６】
前記熱拡散層は、銅の粉末をガスと共に加速し、前記第１の金属層の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基板。
【請求項７】
前記熱拡散層の厚みは、前記緩衝層の厚みの１／２倍以上１倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の複合基板。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基板と、
前記第１の金属層上に実装された半導体素子と、
前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、
前記第１の金属層に回路パターンが形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項９】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の複合基板と、
前記熱拡散層上に実装された半導体素子と、
前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、
前記第１の金属層及び前記熱拡散層に回路パターンが形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック及び金属によって形成された複合基板、及び該複合基板が適用されたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが知られている。図１１は、従来のパワーモジュールを模式的に示す断面図である。図１１に示すように、基板９０の一方の面に半田９４を介して半導体チップ９５を配設し、他方の面に伝熱シート９６を介して冷却器９７を配設した装置である。なお、冷却器９７は放熱器とも呼ばれる。基板９０は、窒化シリコン等の絶縁基材９１の両面にろう材を介して銅箔からなる回路層９２及び金属層９３をそれぞれ接合した複合基板であり、活性金属銅回路（Active  Metal  Brazed  Copper：ＡＭＣ）基板とも呼ばれている。このようなパワーモジュール９においては、半導体チップ９５から発生した熱を、基板９０及び伝熱シート９６を介して冷却器９７に移動させて外部に放熱することにより、冷却を行っている。【０００３】
パワーモジュールにおいて用いられる基板に関連する技術として、特許文献１には、絶縁層に銅箔を貼り合わせて回路パターンを形成した配線基板において、回路パターンの上部にコールドスプレー法により金属材料を積層することにより、上積み回路パターンを形成する技術が開示されている。また、特許文献２には、絶縁層上に形成された回路パターン上に、はんだシートを介して金属ブロックを載置し、あるいは、予め金属ブロックをはんだ接合し、この金属ブロック上にコールドスプレー法にて金属材料を積層することにより上積み回路パターンを形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１９１４６号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１１に示すパワーモジュール９においては、冷却器９７による冷却効果を高めるため、基板９０の熱抵抗を低減させることが望まれる一方、熱サイクル時における絶縁基材９１の割れ等を防ぐため、基板９０における熱応力を抑制することが望まれている。この点に関し、上記特許文献１及び２においては、熱抵抗の低減と熱応力の抑制との両立について何ら言及されていない。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱抵抗の低減と熱応力の抑制とを両立可能な複合基板、及び該複合基板が適用されたパワーモジュール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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る複合基板は、半導体素子と、該半導体素子が実装される複合基板と、前記半導体素子から発生した熱を放熱する冷却器とを備えるパワーモジュールにおいて用いられる複合基板であって、平板状をなす絶縁基材と、前記絶縁基材の一方の面に設けられ、回路パターンが形成される第１の金属層と、前記絶縁基材の他方の面に設けられた第２の金属層と、前記第２の金属層の表面に、銅と、鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかからなる添加材とを含む複合材により形成された緩衝層であって、前記冷却器と接着される緩衝層と、を備えることを特徴とする。【０００８】
上記複合基板において、前記緩衝層の熱膨張率は、７．１×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする。【０００９】
上記複合基板において、前記緩衝層の熱伝導率は、７５Ｗ／ｍＫ以上２２０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする。【００１０】
上記複合基板において、前記緩衝層は、銅の粉末と前記添加材の粉末とを混合した混合粉末をガスと共に加速し、前記第２の金属層の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されていることを特徴とする。【００１１】
上記複合基板は、前記第１の金属層の表面に金属により形成された熱拡散層をさらに備えることを特徴とする。【００１２】
上記複合基板において、前記熱拡散層は、銅の粉末をガスと共に加速し、前記第１の金属層の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されていることを特徴とする。【００１３】
上記複合基板において、前記熱拡散層の厚みは、前記緩衝層の厚みの１／２倍以上１倍以下であることを特徴とする。【００１４】
本発明に係るパワーモジュールは、前記複合基板と、前記第１の金属層上に実装された半導体素子と、前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記第１の金属層に回路パターンが形成されていることを特徴とする。【００１５】
本発明に係るパワーモジュールは、前記複合基板と、前記熱拡散層上に実装された半導体素子と、前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記第１の金属層及び前記熱拡散層に回路パターンが形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、絶縁基材の他方の面に形成された第２の金属層の表面に、銅と、鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかからなる添加材とを含む複合材により緩衝層を形成するので、複合基板において熱抵抗の低減と熱応力の抑制とを両立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示すパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、銅とインバーとの複合材において、インバーの体積含有率を変化させた場合の熱伝導率及び熱膨張率を示す表である。
【図４】図４は、コールドスプレー装置の構成例を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図６】図６は、図５に示すパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施例１、２及び比較例１〜４により作製した積層体の熱抵抗と、絶縁基材における熱応力との相関を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例３、４及び比較例１、５〜７により作製した積層体の熱抵抗と、絶縁基材における熱応力との相関を示すグラフである。
【図９】図９は、複合基板における伝熱面積の定義を説明する模式図である。
【図１０】図１０は、実施例１〜４及び比較例１〜７における緩衝層及び熱拡散層の構成、並びに各積層体に対する評価結果をまとめた表である。
【図１１】図１１は、従来のパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１は、基板１０と、該基板１０の一方の面に半田１５を介して配設された半導体チップ１６と、該基板１０の他方の面に伝熱シート１７を介して配設された冷却器１８とを備える。なお、冷却器１８は放熱器とも呼ばれる。このようなパワーモジュール１においては、半導体チップ１６から発生した熱を、基板１０及び伝熱シート１７を介して冷却器１８に移動させることにより、外部に放熱する。
【００２０】
基板１０は、平板状をなす絶縁基材１１の一方の面に形成された回路層１２と、絶縁基材１１の他方の面に形成された金属層１３と、該金属層１３の表面に形成された緩衝層１４とを備える複合基板である。
【００２１】
絶縁基材１１は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスといった絶縁性材料によって形成される略板状の部材である。
【００２２】
回路層１２は、例えば銅等の良好な電気伝導度を有する金属によって形成され、ろう材を介して絶縁基材１１に接合されている。この回路層１２には、半導体チップ１６等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。
【００２３】
金属層１３は、例えば銅等の良好な電気伝導度を有する金属によって形成され、ろう材を介して絶縁基材１１に接合されている。金属層１３は、半導体チップ１６や回路層１２において発生した熱を緩衝層１４及び冷却器１８に伝熱する。
【００２４】
緩衝層１４は、銅と、鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかの金属（以下、添加材ともいう）とを含む複合材であり、所謂コールドスプレー法により金属層１３の表面に直接形成されている。なお、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）は一般にインバー（ＩＮＶＡＲ（登録商標））と呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）のことをインバーともいう。また、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）は一般にスーパーインバーと呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）のことをスーパーインバーともいう。
【００２５】
ここで、コールドスプレー法とは、材料の粉末を、融点又は軟化点以下の状態の不活性ガスと共に末広（ラバル）ノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させることにより、基材の表面に皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で成膜が行われるので、熱応力の影響が緩和される。そのため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、基材及び皮膜となる材料が共に金属である場合、金属材料の粉末が基材又は先に形成された皮膜に衝突した際に、粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。
【００２６】
緩衝層１４は、半導体チップ１６及び回路層１２において発生した熱を効率良く冷却器１８に伝導させるための良好な伝熱性と、絶縁基材１１における熱応力を緩和するための低い熱膨張率とを備えている。具体的には、緩衝層１４における熱伝導率は７５Ｗ／ｍＫ以上２２０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、熱膨張率（ＣＴＥ）は７．１×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることが好ましい。
【００２７】
図３は、銅と添加材の一例であるインバーとの複合材において、インバーの体積含有率を変化させた場合の熱伝導率及び熱膨張率を示す表である。図３に示すように、銅にインバーを添加する場合、インバーの比率が増加するに従って熱伝導率が低下する一方、熱膨張率は上昇する。そのため、添加材としてインバーを用いる場合、上述した緩衝層１４として好ましい特性を両立させるためには、インバーの体積含有率を２０％〜５０％程度にすると良い。
【００２８】
また、熱応力を緩和するためには、緩衝層１４は厚いほど良いが、緩衝層１４を厚くし過ぎると金属層１３から冷却器１８への伝熱性が低下してしまう。緩衝層１４の厚みは、詳細には添加材の種類や添加材の体積含有率にもよるが、好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度、より好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度にすると良い。
【００２９】
本実施の形態１においては、このような緩衝層１４を上述したコールドスプレー法により形成するので、金属層１３に対して緩衝層１４を強固に密着させることができ、金属層１３から緩衝層１４への良好な伝熱性を維持することができる。また、コールドスプレー法を用いる場合、添加材の体積含有率や、緩衝層１４の厚みを容易に制御することもできる。
【００３０】
半導体チップ１６は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体チップ１６は、使用の目的に合わせて回路層１２上に複数個設けられても良い。
【００３１】
伝熱シート１７は、良好な熱伝導性及び電気絶縁性を有するシート状部材の両面に粘着材を配置した材料であり、基板１０の緩衝層１４側に接着されている。なお、伝熱シート１７の代わりに、ゲル状のシート部材や伝熱グリスを用いて基板１０と冷却器１８とを接着しても良い。
【００３２】
冷却器１８は、アルミニウムやアルミニウム合金等の良好な熱伝導性を有する金属又は合金によって形成され、平板状をなす基部１８ａと、該基部１８ａの裏面（図１においては下面）に設けられた板状をなす複数の冷却部（冷却フィンとも呼ばれる）１８ｂとを有する。このような冷却器１８を介して、半導体チップ１６から発生した熱が基板１０及び伝熱シート１７を介して外部に放出される。
【００３３】
次に、パワーモジュール１の製造方法について説明する。図２は、パワーモジュール１の製造方法を示すフローチャートである。まず、工程Ｓ１０において、絶縁基材１１に回路層１２及び金属層１３を形成する。詳細には、絶縁基材１１の一方の面に回路層１２を、他方の面に金属層１３をろう付法によりそれぞれ形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層１２や金属層１３を形成しても良い。
【００３４】
続く工程Ｓ１１において、金属層１３の表面に、コールドスプレー法により緩衝層１４を形成する。より詳細には、まず、所定の中心粒径をそれぞれ有する銅の粉末及び添加材の粉末を用意し、予め設定された混合比率となるように両者を秤量して混合する。粉末の混合方法は特に限定されず、本実施の形態１においては、乾式混合法（ドライブレンド法）によって混合する。銅の粉末の粒径については、コールドスプレー法に適用可能な粒径、例えば５〜１００μｍ程度であれば特に限定されない。一方、添加材の粉末の粒径は、銅の粉末の粒径の±６０％程度の範囲とすると良い。これは、コールドスプレー法を行った際に、銅の粉末のふるまいに対して鉄ニッケル合金の粉末が同様にふるまうことが好ましいからである。
【００３５】
図４は、コールドスプレー装置の構成例を示す模式図である。図４に示すコールドスプレー装置１００は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器１０１と、皮膜の材料の粉末を収容してスプレーガン１０３に供給する粉末供給装置１０２と、スプレーガン１０３に供給された材料の粉末を、加熱された圧縮ガスと共に基材１１０に向けて噴射するガスノズル１０４と、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ１０５及び１０６とを備える。
【００３６】
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器１０１に供給された圧縮ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン１０３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００℃〜１０００℃である。
【００３７】
一方、粉末供給装置１０２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置１０２内の材料の粉末をスプレーガン１０３に所定の吐出量となるように供給する。
【００３８】
加熱された圧縮ガスは、末広形状をなすガスノズル１０４を通過することにより超音速流、即ち約３４０ｍ／ｓ以上となって噴射される。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１１０に対する皮膜１１１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。
【００３９】
このようなコールドスプレー装置１００において、基材１１０として、基板１０の金属層１３側をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、上述した銅と添加材の混合粉末を粉末供給装置１０２に投入し、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２への圧縮ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン１０３に供給された混合粉末が、この圧縮ガスの超音速流の中に投入されて加速され、スプレーガン１０３から噴射される。この混合粉末が、固相状態のまま基材１１０、即ち金属層１３に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１１１が形成される。そして、この皮膜１１１を所望の厚さとなるまで堆積させることで、緩衝層１４が形成される。
【００４０】
なお、コールドスプレー法による成膜装置としては、材料の粉末を基材１１０に向けて固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図４に示すコールドスプレー装置１００の構成に限定されるものではない。
【００４１】
続く工程Ｓ１２において、基板１０の回路層１２に、半田１５等を用いて半導体チップ１６を実装する。
【００４２】
続く工程Ｓ１３において、伝熱シート１７を介して基板１０の緩衝層１４側に冷却器１８を貼り付ける。それにより、図１に示すパワーモジュール１が完成する。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、銅と鉄ニッケル合金、チタン、クロム、タングステン、及びモリブデンのいずれかの金属とを含む緩衝層１４をコールドスプレー法により金属層１３の表面に形成するので、基板１０をパワーモジュール１に適用した場合に、絶縁基材１１にかかる熱応力を緩和することができる。また、銅と添加材とを混合する比率を調整することで、緩衝層１４における良好な伝熱性を維持することができる。従って、半導体チップ１６及び回路層１２において発生した熱を、冷却器１８を介して効率良く外部に放出することができると共に、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。
【００４４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図５は、実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図５に示すように、実施の形態２に係るパワーモジュール２は、図１に示す基板１０の代わりに基板２０を備える。基板２０以外のパワーモジュール２の各部の構成は、実施の形態１と同様である。
【００４５】
基板２０は、上述した基板１０と同様の絶縁基材１１、回路層１２、金属層１３、及び緩衝層１４に加え、回路層１２の表面に形成された熱拡散層２１をさらに備える複合基板である。本実施の形態２においては、この熱拡散層２１上に、半田１５を介して半導体チップ１６が実装されている。
【００４６】
熱拡散層２１は純銅によって形成され、コールドスプレー法により回路層１２上に直接形成されている。熱拡散層２１は、半導体チップ１６において発生した熱を基板２０の厚み方向だけでなく、該厚み方向と直交する面内にも拡散させることで、熱抵抗を低減させる。
【００４７】
ここで、回路層１２と半導体チップ１６との間に熱拡散層２１を設けることにより、絶縁基材１１における熱抵抗の低減効果を得ることができるが、通常であれば、熱拡散層２１を設けることで絶縁基材１１における熱応力を増加させ、絶縁基材１１に割れを生じさせるおそれがある。しかしながら、本実施の形態２においては、絶縁基材１１の反対側に金属層１３を介して緩衝層１４を設けているので、絶縁基材１１における熱応力を緩和し、絶縁基材１１の割れを抑制することができる。
【００４８】
熱拡散層２１の厚みは、半導体チップ１６が実装される領域の面積にもよるが、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度にすることが好ましい。また、緩衝層１４との関係では、熱拡散層２１の厚みを、緩衝層１４の厚みの１／２倍以上１倍以下にすると良い。
【００４９】
図６は、パワーモジュール２の製造方法を示すフローチャートである。このうち、工程Ｓ１０及びＳ１１については、実施の形態１と同様である。
【００５０】
工程Ｓ１１に続く工程Ｓ２０において、回路層１２上に、コールドスプレー法により熱拡散層２１を形成する。即ち、図４に例示するコールドスプレー装置１００において、基材１１０として絶縁基材１１を、回路層１２側をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、スプレーガン１０３と回路層１２との間に、回路層１２に形成された回路パターンに対応する開口が形成されたマスクを配置する。そして、銅の粉末を粉末供給装置１０２に投入して、マスクを介して回路層１２上に皮膜形成を行う。
【００５１】
続く工程Ｓ１２及びＳ１３は、実施の形態１と同様である。この際、工程Ｓ１２においては、熱拡散層２１上に半導体チップ１６を実装する。
【００５２】
以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、回路層１２と半導体チップ１６との間に熱拡散層２１を設けるので、回路層１２及び絶縁基材１１における熱抵抗を低減することができる。この際、本実施の形態２においては、絶縁基材１１の反対側に金属層１３を介して緩衝層１４が設けられているので、半導体チップ１６において発生した熱が絶縁基材１１の広い領域に伝達された場合であっても、絶縁基材１１における熱応力を緩和することができ、絶縁基材１１の割れ等を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００５３】
以下の構造を有する積層体に対し、熱抵抗及び熱応力を計測するシミュレーションを行った。実施例１〜４及び比較例１〜７において、ＡＭＣ基板は、絶縁基材の両面にろう材を介して金属箔（第１金属層、第２金属層）をそれぞれ貼り付けた基板である。なお、銅及びインバーのパーセンテージは、複合材における体積含有率を示す。【００５４】
（実施例１）
ＡＭＣ基板（絶縁基材：窒化ケイ素（厚み０．３２ｍｍ）、第１金属層：純銅（厚み０．５ｍｍ）、第２金属層：純銅（厚み０．５ｍｍ））
緩衝層：銅（８０％）及びインバー（２０％）の複合材（厚み０．５ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
伝熱グリス：厚み０．０２ｍｍ、熱伝導率１Ｗ／ｍＫ【００５５】
（実施例２）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：銅（５０％）及びインバー（５０％）の複合材（厚み０．５ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００５６】
（実施例３）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：銅（８０％）及びインバー（２０％）の複合材（厚み１．０ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００５７】
（実施例４）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：銅（５０％）及びインバー（５０％）の複合材（厚み１．０ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００５８】
（比較例１）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：なし
熱拡散層：なし
伝熱グリス：実施例１と同じ【００５９】
（比較例２）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：なし
熱拡散層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６０】
（比較例３）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６１】
（比較例４）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：銅（２０％）及びインバー（８０％）の複合材（厚み０．５ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み０．５ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６２】
（比較例５）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：なし
熱拡散層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６３】
（比較例６）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６４】
（比較例７）
ＡＭＣ基板：実施例１と同じ
緩衝層：銅（２０％）及びインバー（８０％）の複合材（厚み１．０ｍｍ）
熱拡散層：純銅（厚み１．０ｍｍ）
伝熱グリス：実施例１と同じ【００６５】
なお、実際の積層体には、半導体チップを実装するための半田層、並びにＡＭＣ基板におけるろう材層が存在するが、これらの層は実施例１〜４及び比較例１〜７において共通であると共に、以下において評価する熱応力及び熱抵抗に与える影響が少ないため、特に言及しない。【００６６】
図７は、実施例１、２及び比較例１〜４により作製した積層体の熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）と、絶縁基材（ＳｉＮ）における熱応力σSiN（ＭＰａ）との相関を示すグラフである。また、図８は、実施例３、４及び比較例１、５〜７により作製した積層体の熱抵抗Ｒ（Ｋ／Ｗ）と、絶縁基材（ＳｉＮ）における熱応力σSiN（ＭＰａ）との相関を示すグラフである。【００６７】
積層体の熱抵抗Ｒは、次式（１）により算出した。
【数１】
2016021561.tif 000003
【００６８】
式（１）において、パラメータｉは、半導体チップ１６（図５参照）側からカウントした層の順序を示す。例えば実施例１〜３の場合、熱拡散層はｉ＝１、回路層はｉ＝２、絶縁基材はｉ＝３、金属層はｉ＝４、緩衝層はｉ＝５、伝熱グリスはｉ＝６である。一方、比較例１の場合、回路層はｉ＝１、絶縁基材はｉ＝２、金属層はｉ＝３、伝熱グリスはｉ＝４である。また、パラメータｋは、積層体の層数を示す。【００６９】
符号Ｒiはｉ番目の層の熱抵抗、符号λiはｉ番目の層の熱伝導率、符号ｔiはｉ番目の層の厚み、符号Ａiはｉ番目の層における伝熱面積をそれぞれ示す。伝熱面積Ａiは、次のように定義される。図９は、伝熱面積の定義を説明する模式図である。このうち、図９の（ａ）は、半導体チップ１６が実装された複合基板の一部を示す断面図であり、図９の（ｂ）は、図９の（ａ）に示す深さｈの面における伝熱領域の外縁を示す模式図である。伝熱面積Ａiは、半導体チップ１６から発生した熱が半田１５の直下から厚み方向に対して４５°の角度で拡散した場合に（図９の（ａ）参照）、複合基板の表面からｉ番目の層の厚みの中心までの深さｈにおいて熱が到達する領域（図９の（ｂ）に示す斜線部分）内の面積である。【００７０】
複合基板の熱応力σSiNは、次式（２）により算出した。
【数２】
2016021561.tif 000004
【００７１】
式（２）に示す熱膨張率の平均値αaverageは、次式（３）によって与えられる。
【数３】
2016021561.tif 000005
【００７２】
式（２）及び（３）において、符号Ｅiはｉ番目の層のヤング率、符号αiはｉ番目の層の熱膨張率、符号ｔiはｉ番目の層の厚みをそれぞれ示す。また、ΔＴは複合基板を加熱した際の温度変化であり、本シミュレーションにおいては温度を２５℃から１７５℃まで変化させることとしたため、ΔＴ＝１５０である。【００７３】
ここで、実施例１〜４及び比較例１〜７において使用した絶縁基板（窒化ケイ素）単体での４点曲げ破断強度は７００ＭＰａ±５％程度である。従って、複合基材を加熱した場合であっても、絶縁基板にかかる熱応力が７００ＭＰａ±５％以下となることが好ましい。また、絶縁基板の両面に回路層及び金属層をそれぞれ形成したＡＭＣ基板の熱抵抗は、約０．６Ｋ／Ｗである。従って、複合基板全体においても、熱抵抗が約０．６Ｋ／Ｗ以下となることが好ましい。図１０は、実施例１〜４及び比較例１〜７における緩衝層及び熱拡散層の構成、並びに各積層体に対する評価結果をまとめた表である。図１０においては、熱抵抗及び熱応力の両方について好ましい特性が得られた積層体を「○」、熱抵抗及び熱応力の少なくとも一方の特性が好ましい範囲から外れている積層体を「×」で示している。【００７４】
図７及び図８に示すように、熱拡散層及び緩衝層のいずれも設けなかった場合（比較例１）と比べて、熱拡散層のみを設けた場合（比較例２、５）、熱抵抗は低減したものの、絶縁基材の熱応力が大幅に増加してしまった。これに対し、緩衝層をさらに設けた場合（実施例１〜４、比較例３、４、６、７）、絶縁基材の熱応力を抑制することができた。ただし、純銅により緩衝層を形成した場合（比較例３、６）には、熱応力の抑制効果はわずかであった。これに対し、銅とインバーとの複合材により緩衝層を形成した場合には、緩衝層のみを設ける場合と比べて熱応力の抑制効果を得ることができた。【００７５】
一方、熱抵抗については、緩衝層におけるインバーの体積含有率を２０％（実施例１、３）及び５０％（実施例２、４）とした場合、熱拡散層及び緩衝層のいずれも設けなかった場合（比較例１）と比べて、熱抵抗の低減効果を得ることができた。これに対し、インバーの体積含有率を８０％（比較例４、７）とした場合、熱抵抗が増加してしまった。【００７６】
図７と図８とを対比すると、熱拡散層を厚くすることにより（比較例２、５参照）、熱抵抗を低減することができるが、熱応力も大幅に増加してしまう。この場合、緩衝層の方も厚くすることにより（実施例１〜４参照）、熱応力の増加を抑制することができる。【００７７】
以上のシミュレーション結果より、銅とインバーとの複合材を緩衝層として設けることにより、絶縁基板における応力の増加を抑制できることがわかる。特に、緩衝層におけるインバーの体積含有率を２０％以上５０％以下とすることで、熱拡散層及び緩衝層のいずれも設けない場合と比較して、熱抵抗を低減しつつ、熱応力の増加を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
１、２、９  パワーモジュール
１０、２０、９０  基板
１１、９１  絶縁基材
１２、９２  回路層
１３、９３  金属層
１４  緩衝層
１５、９４  半田
１６、９５  半導体チップ
１７、９６  伝熱シート
１８、９７  冷却器
１８ａ  基部
１８ｂ  冷却部
２１  熱拡散層
１００  コールドスプレー装置
１０１  ガス加熱器
１０２  粉末供給装置
１０３  スプレーガン
１０４  ガスノズル
１０５、１０６  バルブ
１１０  基材
１１１  皮膜
【図１】
2016021561.tif 000006
【図２】
2016021561.tif 000007
【図３】
2016021561.tif 000008
【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】
2016021561.tif 000016
【国際調査報告】
2016021561.tif 000017
2016021561.tif 000018
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