(57)【要約】【課題】接合部の信頼性が高い放熱構造体を提供する。【解決手段】放熱構造体は、第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）からなるヒートシンク２１の上に、溶射法（コールドスプレー法）によって形成された溶射複合材料層２８と、第２の材料からなる金属配線２３（上方部材）とを備えている。溶射複合材料層２８は、第１の材料の粒子群と、第２の材料の粒子群とを噴射して形成されている。溶射複合材料層２８内において、ヒートシンク２１に近いほど第１の材料の組成率が大きく、金属配線２３に近いほど第２の材料の組成率が大きくなっており、ヒートシンク２１と金属配線２３との熱膨張係数差を吸収して、熱応力を低減する構造となっている。【選択図】図１
2008300606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク部材を形成する工程（ａ）と、
前記ヒートシンク部材の上に、複数の材料を含む溶射複合材料層を形成する工程（ｂ）と、
前記溶射複合材料層の上方に、上方部材を形成する工程（ｃ）とを含み、
前記工程（ｂ）では、平均の熱膨張係数が前記ヒートシンク部材と前記上方部材との各熱膨張係数の中間の値にある溶射複合材料層を形成する、放熱構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記ヒートシンク部材の主成分、および、前記上方部材の主成分から選ばれた１の材料である第１の材料の粒子群と、前記第１の材料以外の第２の材料の粒子群とを噴射する、放熱構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記ヒートシンク部材および上方部材のうち前記第１の材料を主成分とする部材、に近いほど第１の材料の組成率が大きくなるように、前記第１および第２の材料の各粒子群の混合比を変化させる、放熱構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記ヒートシンク部材の主成分である第１の材料の粒子群と、前記上方部材の主成分である第２の材料の粒子群とを噴射する、放熱構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記溶射複合材料層内で、前記ヒートシンク部材に近いほど第１の材料の組成率が大きく、前記上方部材に近いほど第２の材料の組成率が大きくなるように、前記第１および第２の材料の各粒子群の混合比を変化させる、放熱構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記複数の材料の各粒子群を噴射して前記ヒートシンク部材に衝突させる、放熱構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記複数の材料の各粒子群を噴射して基板に衝突させることにより、基板上に溶射複合材料層を形成する副工程（ｂ１）と、
前記溶射複合材料層を前記基板から剥がして、前記ヒートシンク部材上に接合する副工程（ｂ２）と、
を含む放熱構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記複数の材料の各粒子群を、混合した後、噴射する、放熱構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、  前記複数の材料の各粒子群を、個別に噴射する、放熱構造体の製造方法。
【請求項１０】
ヒートシンク部材と、
前記ヒートシンク部材の上方に設けられた上方部材と、
前記ヒートシンク部材と前記上方部材との間に介設され、複数の材料の粒子群の溶射によって形成された溶射複合材料層とを備え、
前記溶射複合材料層の平均の熱膨張係数は、前記ヒートシンク部材と前記上方部材との各熱膨張係数の中間の値にある、放熱構造体。
【請求項１１】
請求項１０記載の放熱構造体において、
前記ヒートシンク部材の主成分、および、前記上方部材の主成分から選ばれた１つの材料である第１の材料の粒子群と、前記第１の材料以外の第２の材料の粒子群との溶射によって形成されている、放熱構造体。
【請求項１２】
請求項１１記載の放熱構造体において、
前記溶射複合材料層内では、前記ヒートシンク部材および上方部材のうち前記第１の材料を主成分とする部材、に近いほど第１の材料の組成率が大きい、放熱構造体。
【請求項１３】
請求項１１記載の放熱構造体において、  
前記ヒートシンク部材は、第１の材料を主成分とし、
前記上方部材は、第２の材料を主成分とし、
前記溶射複合材料層は、前記第１の材料の粒子群と前記第２の材料の粒子群との溶射によって形成されている、放熱構造体。
【請求項１４】
請求項１３記載の放熱構造体において、
前記溶射複合材料層内では、前記ヒートシンク部材に近いほど第１の材料の組成率が大きく、前記上方部材に近いほど第２の材料の組成率が大きい、放熱構造体。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれかに記載の放熱構造体において、
前記第１の材料は、ＡｌまたはＡｌ合金であり、
前記第２の材料は、ＣｕまたはＣｕ合金である、放熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等の発熱に対する放熱機能を有する放熱構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスとしての半導体素子の発熱を放出するための放熱構造体として、アルミニウムやアルミニウム合金からなるヒートシンクを備えたものが一般に採用されている。ヒートシンクには、フィンが設けられていることが多く、放熱効率を高めるように工夫されている。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクに銅または銅合金からなる部材を設けたものが知られている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、銅部材の接合面に銀からなる金属層を形成しておいて、この金属層とアルミニウム製のヒートシンクとをろう付けすることにより、Ａｌ−Ａｇ金属間化合物を形成して、高い接合強度を実現する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、５００℃以上の温度でろう付けするために、銅とアルミニウムとの熱膨張係数差によって冷却後にそりが生じていた。そのために、接合の信頼性が低下するおそれがあるという不具合があった。
【０００５】
本発明の目的は、ヒートシンク上に、比較的低温での処理によって、複合材料を含む層を設ける手段を講ずることにより、接合部の信頼性が高い放熱構造体およ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】
【０００６】
本発明の放熱構造体の製造方法は、ヒートシンク部材とその上方部材との間に、平均の熱膨張係数が、ヒートシンク部材と上方部材との各熱膨張係数の中間の値にある溶射複合材料層を形成する方法である。
【０００７】
この方法により、ヒートシンク部材と上方部材との間に、両者の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する溶射複合材料層が、比較的低温の処理である溶射法によって形成されるので、形成される放熱構造体における部材間の熱応力が低減される。しかも、溶射法によると、合金の形成が困難な材料同士であっても、容易に溶射複合材料層を形成することができる。したがって、熱応力の低減による接合部の信頼性の高い放熱構造体が得られる。
【０００８】
特に、ヒートシンク部材の主成分、および、上方部材の主成から選ばれた１の材料である第１の材料の粒子群と、第１の材料以外の第２の材料の粒子群とを噴射して、溶射複合材料層を形成することにより、溶射複合材料層の熱膨張係数をヒートシンク部材または上方部材の熱膨張係数に近づけることが容易となる。
その場合、前記ヒートシンク部材および上方部材のうち前記第１の材料を主成分とする部材、に近いほど第１の材料の組成率が大きくなるように、前記第１および第２の材料の各粒子群の混合比を変化させることにより、溶射複合材料層と、ヒートシンク部材または上方部材との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を低減させることができる。
【０００９】
また、ヒートシンク部材の主成分である第１の材料の粒子群と、上方部材の主成分である第２の材料の粒子群とを噴射して、溶射複合材料層を形成することもできる。
その場合、溶射複合材料層内で、ヒートシンク部材に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材に近いほど第２の材料の組成率が大きくなるように、第１および第２の材料の各粒子群の混合比を変化させることにより、ヒートシンク部材と上方部材との熱膨張係数差に起因する熱応力をほとんどなくすことが可能になり、接合の信頼性をより高めることができる。
【００１０】
溶射複合材料層を形成する際には、複数の材料の各粒子群を噴射してヒートシンク部材に直接衝突させることにより、比較的簡素な工程で溶射複合材料層を形成することができ、製造コストの削減を図ることができる。
【００１１】
また、複数の材料の各粒子群を噴射して基板に衝突させることにより、基板上に溶射複合材料層を形成してから、溶射複合材料層を基板から剥がしてヒートシンク部材上に接合することもできる。
【００１２】
複数の材料の各粒子群を、混合した後噴射してもよいし、個別に噴射してよい。
【００１３】
本発明の放熱構造体は、ヒートシンク部材とその上方部材との間に、複数の材料の粒子群の溶射によって形成され、平均の熱膨張係数がヒートシンク部材と上方部材との各熱膨張係数の中間の値にある溶射複合材料層を設けたものである。
【００１４】
これにより、ヒートシンク部材と上方部材との間に、両者の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する溶射複合材料層が介在しているので、ヒートシンク部材と上方部材との熱膨張係数差に起因する各部材間の熱応力が低減される。また、合金の形成が困難な材料同士であっても、溶射法により、容易に溶射複合材料層が実現する。したがって、熱応力の低減による接合部の信頼性の高い放熱構造体が得られる。
【００１５】
特に、溶射複合材料層が、ヒートシンク部材の主成分、および、上方部材の主成分である第１の材料の粒子群と、第１の材料以外の第２の材料の粒子群とを噴射して形成されていることにより、溶射複合材料層の熱膨張係数をヒートシンク部材または上方部材の熱膨張係数に近づけることが容易となる。
その場合には、前記ヒートシンク部材および上方部材のうち前記第１の材料を主成分とする部材、に近いほど第１の材料の組成率が大きいことにより、溶射複合材料層と、ヒートシンク部材または上方部材との間の熱膨張係数差に起因する熱応力を低減させることができる。
【００１６】
また、ヒートシンク部材が第１の材料を主成分とし、上方部材が第２の材料を主成分としている場合、第１の材料の粒子群と第２の材料の粒子群との溶射によって溶射複合材料層を形成することができる。
その場合には、溶射複合材料層内で、ヒートシンク部材に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材に近いほど第２の材料の組成率が大きいことにより、ヒートシンク部材と上方部材との熱膨張係数差に起因する熱応力をほとんどなくすことが可能になり、接合の信頼性をより高めることができる。
【００１７】
第１の材料がＡｌまたはＡｌ合金であり、第２の材料がＣｕまたはＣｕ合金であることにより、ヒートシンク部材を成形の容易なＡｌまたはＡｌ合金によって構成する一方、上方部材としてたとえば電気抵抗の小さいＣｕまたはＣｕ合金からなる配線部材を設けることができる。そして、溶射法により、合金化の範囲が非常に狭いＡｌとＣｕとを含む溶射複合材料層が、ほぼ任意の組成範囲で得られることになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の放熱構造体およびその製造方法によると、接合の信頼性の高い放熱構造体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施の形態１）
−放熱構造体の構造−
図１は、実施の形態１に係る放熱構造体の断面図である。本実施の形態の放熱構造体は、平板部２１ａおよびフィン部２１ｂを有するヒートシンク２１（ヒートシンク部材）と、平板部２１ａの上に形成された溶射複合材料層２８と、溶射複合材料層２８の上に形成された絶縁樹脂層２６と、絶縁樹脂層２６の上に形成された金属配線２３とを備えている。フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されているが、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではなく、また、フィン部２１ｂに代えて、他の放熱構造体を備えていてもよい。
【００２０】
本実施の形態では、ヒートシンク２１は、第１の材料であるＡｌまたはＡｌ合金を用いた押し出し成形によって形成されている。ただし、ダイキャスト成形を利用してもよい。金属配線２３は、第２の材料であるＣｕまたはＣｕ合金によって構成されており、溶射複合材料層２８の上方に設けられた上方部材である。
【００２１】
本実施の形態では、溶射複合材料層２８は、上記第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）と、第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）とを含んでおり、コールドスプレー法を用いて形成されている。後述するように、コールドスプレー法を用いて形成された溶射複合材料層２８は、比較的低温（数百℃）で形成される。また、コールドスプレー法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されている。そして、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が大きく、製造コストも安価である。溶射複合材料層の厚みは、約０．３ｍｍであり、金属配線２３の厚みは、約０．６ｍｍであり、絶縁樹脂層２６の厚みは約０．２ｍｍであり、ヒートシンク２１の平板部２１ａの厚みは約５ｍｍであり、フィン部２１ｂの縦方向の長さは約１５ｍｍであり、フィン部２１ｂのピッチは約１．５ｍｍであり、フィン部２１ｂの横方向の厚みは約１．５ｍｍである。
【００２２】
そして、本実施の形態では、溶射複合材料層２８は、下端部では第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の組成率がほぼ１００％であり、下端部から上端部に向かって、徐々に第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の組成率が大きくなって、上端部では、第２の材料の組成率ほぼ１００％である。
【００２３】
溶射複合材料層２８における組成分布が、必ずしも本実施の形態のようになっている必要はない。たとえば、Ａｌ，Ｃｕの組成比が１：１の均一組成であっても、熱膨張係数がＡｌの膨張率（２３ｐｐｍ／Ｋ）とＣｕの熱膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）との中間の値になるので、ヒートシンク２１と金属配線（上方部材）２３との熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和することができる。
【００２４】
すなわち、本実施の形態では、第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）および第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）を含む溶射複合材料層２８の熱膨張係数は、第１の材料からなるヒートシンク２１と、第２の材料からなる金属配線２３（上方部材）との熱膨張係数の中間的な値になる。したがって、ヒートシンク２１と金属配線２３との熱膨張係数差に起因する熱応力を緩和することができ、部材間（ヒートシンク２１−溶射複合材料層２８間、および、溶射複合材料層２８−絶縁樹脂層２６−金属配線２３間）の接合部の信頼性を高く維持することができる。
【００２５】
ただし、溶射複合材料層２８は、必ずしも２つの材料によって形成されている必要はなく、複数の材料の溶射によって形成されていればよい。複数の材料を含めることにより、熱膨張係数の調整が容易となる。
また、溶射複合材料層２８は、必ずしも、ヒートシンク２１の主成分や、金属配線２３の主成分を含んでいる必要はなく、複数の材料を混合することによって、平均的な熱膨張係数がヒートシンク２１と金属配線２３（上方部材）との各熱膨張係数の中間の値であればよい。これにより、熱膨張係数差に起因する熱応力を低減することができるからである。
【００２６】
第１の材料は、金属配線層２３（上方部材）の主成分（本実施の形態ではＣｕ）、および、ヒートシンク２１の主成分（本実施の形態ではＡｌ）から選ばれた１の材料であることが好ましい。その場合には、比較的容易に熱膨張係数を焼成することが容易となる。たとえば、第１の材料がＣｕ（金属配線層２３の主成分）である場合、Ｃｕの粒子群と、熱膨張係数がＣｕよりも大きい他の材料の粒子群とを溶射することで、溶射複合材料層２８の熱膨張係数をヒートシンク２１と金属配線２３との中間の値に調整することが容易である。また、第１の材料がＡｌ（ヒートシンク２１の主成分）である場合には、Ａｌの粒子群と、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３など、Ａｌよりも熱膨張係数が小さい材料の粒子群とを溶射することで、溶射複合材料層２８の熱膨張係数をヒートシンク２１と金属配線２３との中間の値に調整することが容易である。
【００２７】
そして、第１の材料がＣｕ（金属配線層２３の主成分）である場合には、金属配線層２３に近いほど溶射複合材料層２８のＣｕの組成率を大きくすることで、溶射複合材料層２８−金属配線層２３間の熱膨張係数差を小さくでき、熱応力を低減させることができる。また、第１の材料がＡｌ（ヒートシンク２１の主成分）である場合には、ヒートシンク２１に近いほど溶射複合材料層２８のＡｌの組成率を大きくすることにより、溶射複合材料層２８−ヒートシンク２１間の熱膨張係数差を小さくでき、熱応力を低減させることができる。
【００２８】
特に、溶射複合材料層２８が、ヒートシンク２１に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材である金属配線２３に近いほど第２の材料の組成率が大きい組成分布を有していることにより、ヒートシンク２１と金属配線２３との熱膨張係数差をほとんど吸収できるので、接合部の信頼性がとくに向上する。
【００２９】
第１の材料がＡｌまたはＡｌ合金で、第２の材料がＣｕまたはＣｕ合金の組み合わせに本発明を適用することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。
【００３０】
一般の融解金属を混合して合金化する場合、ＡｌのＣｕへの最大固溶度は１０％前後であり（アルミニウム青銅）、それ以上Ａｌを添加しても、実用合金を得ることは困難であるが、溶射法を利用することにより、溶射複合材料層２８を、ほぼ任意の組成範囲で容易に形成することができる。
そして、ヒートシンク２１がＡｌまたはＡｌ合金によって構成されていることにより、ダイカスト成形や押し出し成形によって微細ピッチのフィンを容易に形成しうるので、ヒートシンクの放熱機能が特に高くなる。一方、金属配線２３（上方部材）をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、電気抵抗を特に小さくできるので、配線部材としての導電機能が特に高くなる。したがって、本実施の形態により、ヒートシンク２１と金属配線２３との総合的な機能を特に高めつつ、熱応力の低減により、部材間の接合の信頼性を高く維持することができる。
ただし、本発明の溶射複合材料層は、必ずしもＡｌまたはＡｌ合金と、ＣｕまたはＣｕ合金との複合材料によって構成されている必要はない。
【００３１】
−放熱構造体の製造方法−
図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１における放熱構造体の製造工程を示す斜視図である。
図２（ａ）に示す工程では、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体２１ｘを形成する。ヒートシンク連続体２１ｘは、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している。ヒートシンク２１の構成材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いることにより、微細ピッチのフィン部２１ｂを有するヒートシンク連続体２１ｘを押し出し成形により、容易に形成しうる利点がある。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、ヒートシンク連続体２１ｘ（平板部２１ａ）の上面に、コールドスプレー法を用いて、ＣｕまたはＣｕ合金からなる溶射複合材料層２８を形成する。図３は、コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。コールドスプレー装置６０Ａは、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから投入される２種類の材料（粒子）を混合するミキサー（ホッパー）６７と、圧縮空気を加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、ヒートシンク連続体２１ｘが設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム，窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。
【００３３】
ミキサー６７に、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから、それぞれ第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）と第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の各粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ミキサー６７内で混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５から送り込まれた圧縮空気はヒータ６２で３００〜５００℃に熱されて、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で加熱圧縮空気と各粒子群とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。各粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形し、からみ合った状態で結合されて、溶射複合材料層２８が形成される。各粒子の径は、０．１μｍ〜１５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜５０μｍである。
【００３４】
このとき、本実施の形態では、ガン６３は、ヒートシンク連続体２１ｘに沿って、繰り返しスイープされる。初回のスイープの際には、原料供給管６８Ｂからの第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の供給はほとんどなく、ヒートシンク連続体２１ｘ上には、第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の粒子のみが堆積されていく。そして、２回目，３回目，…と、スイープ回数が進むにつれて、原料供給管６８Ｂから供給される第２の材料（ＣｕっまたはＣｕ合金）の割合が増加し、最終のスイープ時には、原料供給管６８Ａからの第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の供給はほとんどなくなって、溶射複合材料層２８の上端部は、ほぼ第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）のみによって構成される。
【００３５】
このような溶射方法により、ヒートシンク２１に近いほど第１の材料の組成率が大きく、上方部材である金属配線２３に近いほど第２の材料の組成率が大きい溶射複合材料層２８の組成分布が実現する。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、ヒートシンク連続体２１ｘを切断して、ヒートシンク２１および溶射複合材料層２８に分離する。
【００３７】
次に、図２（ｄ）に示す工程で、ヒートシンク２１の上にエポキシ樹脂接着剤を塗布して、絶縁樹脂層２６を形成し、その上にＣｕまたはＣｕ合金からなる金属配線２３を接着させる。これにより、ヒートシンク２１，溶射複合材料層２８，絶縁樹脂層２６および金属配線２３（上方部材）を有する放熱構造体が形成される。
【００３８】
本実施の形態では、ヒートシンク連続体２１ｘの上に、第１の材料と第２の材料との各粒子群を衝突させて、溶射複合材料層２８を形成したが、ヒートシンク連続体２１ｘに代えて、適当な基板に第１の材料と第２の材料との各粒子群を衝突させて、溶射複合材料層２８を形成し、その後、基板から溶射複合材料層２８を剥がして、ヒートシンク２１の平面部２１ａに接着，接合してもよい。その場合、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて接着してもよいし、半田，ろう材を用いた接合を行なってもよい。
【００３９】
本実施の形態の放熱構造体およびその製造方法によると、第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）を主成分とするヒートシンク２１と、第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）を主成分とする金属配線２３（上方部材）との間に、コールドスプレー法により、第１の材料および第２の材料を含む溶射複合材料層２８を形成しているので、以下の効果を発揮することができる。
【００４０】
コールドスプレー法などの溶射法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されており、特に、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。かつ、合金の形成が困難な材料同士であっても、複合材料を形成することができる。上述のように、ＡｌとＣｕとは合金を形成しうる組成が狭く制限されているが、コールドスプレー法などの溶射法を用いることにより、Ａｌ（またはＡｌ合金）とＣｕ（またはＣｕ合金）とを用いて、ほぼ任意の組成で複合材料層を形成することができる。また、溶射法では、比較的低温で成膜が行われるので、成膜と下地層との間の熱膨張係数差が大きい場合であっても、比較的小さな熱応力しか発生しないので、接合部の信頼性を高く維持することができる。
【００４１】
特に、溶射複合材料層２８が、ヒートシンク２１に近いほど第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の組成率が大きく、上方部材である金属配線２３に近いほど第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の組成率が大きい、という組成分布も、溶射法を用いることにより、容易に実現することができ、熱応力をほとんど吸収して、接合部の信頼性の高い放熱構造体を得ることができる。
【００４２】
なお、溶射複合材料層２８の形成工程で、コールドスプレー法を採用することにより、比較的低温で溶射複合材料層を形成することができる。ヒータ６２で３００〜４００℃に加熱された圧縮空気を用いるものの、空気の膨張によって急激に冷却されるので、ヒートシンク２１に衝突する際には、室温〜１００℃の低温になっているからである。したがって、加工後にヒートシンク２１と溶射複合材料層２８との熱膨張係数差に起因する反りを小さく抑制することができる。
【００４３】
−他の溶射法の例−
図４は、ＨＶＡＦ（High Velocity Aero Fuel）法の概略を説明する断面図である。ＨＶＡＦ装置６０Ｂは、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから投入される２種類の材料（粒子）を混合するミキサー（ホッパー）６７と、圧縮空気および可燃性ガスを加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５と、可燃性ガス（プロパンガスなど）を供給するガス管６６とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、ヒートシンク連続体２１ｘが設置されている。
【００４４】
ミキサー６７に、２つの原料供給管６８Ａ，６８Ｂから、それぞれ第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）と第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の各粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ミキサー６７内で混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５，ガス管６６から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ６９で燃焼が促進され、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で燃焼ガス，圧縮空気および各粒子群が混ざり合った状態で、フレームとともに、超音速流で噴射される。各粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度（３００〜５００℃）かつ、より高速（６００〜８００ｍ／ｓ）で、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して、からみ合った状態で結合されて、溶射複合材料層２８が形成される。粒子の粒径は、０．１μｍ〜１５０μｍ,好ましくは１０〜５０μｍである。
【００４５】
また、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxigen Fuel）法を用いた場合は、供給管６４，６５から酸素が供給される点を除いては、図４に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓが達成される。
【００４６】
図５は、ＡＤ（Aerosol Deposition）法の概略を説明する断面図である。真空ポンプＶＰが付設された成膜室７１内に、ワークホルダー７２と、基板７２と、メタルマスク７３と、ノズル７６とが配置されている。また、エアロゾル化室７８には、原料供給管７９Ａから第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の粒子群が供給され、原料供給管７９Ｂから第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の粒子群が供給され、エアロゾル化室７８内で各粒子が混合される。各粒子は、空気，Ｈｅ，Ａｒ，窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管７７からノズル７６に運ばれ、高速で噴射される。そして、基板７３上に、第１の材料と第２の材料とを含む溶射複合材料層７４が堆積される。成膜が終了すると、溶射複合材料層７４を基板７３から剥がして、ヒートシンク２１の平面部２１ａに接合させることにより、図１に示す構造が形成される。
【００４７】
この方法では、コールドスプレー法と同様に、室温程度の低温で成膜が行われる。粒子の速度は２００〜４００ｍ／ｓ、粒子の粒径は０．０３μｍ〜０．１μｍであり、より緻密な粒子を用いることができる。
【００４８】
形成される複合材料膜の厚みを比較すると、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法，ＨＶＯＦ法では、数十μｍ〜数ｍｍであるが、ＡＤ法では、数μｍ〜数十μｍである。したがって、本発明のごとくパワーモジュールに用いる放熱構造体においては、薄膜の溶射複合材料膜を形成することができる点で、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法またはＨＶＯＦ法を用いることがより好ましい。
【００４９】
（変形例）
図６は、上記実施の形態１の製造方法の変形例を説明する図である。上記実施の形態１では、第１の材料の粒子群と、第２の材料の粒子群とを混合してから、１つのノズルから各粒子を噴射したが、本変形例では、個別に各材料の粒子群を噴射する。すなわち、図６に示すように、ノズルＡから第１の材料（ＡｌまたはＡｌ合金）の粒子群を噴射し、ノズルＢから第２の材料（ＣｕまたはＣｕ合金）の粒子群を噴射して、基板上に、第１の材料および第２の材料を含む溶射複合材料層を堆積していく。ノズルＡ，Ｂは、コールドスプレー法，ＨＶＡＦ法，ＨＶＯＦ法またはＡＤ法で使用されるノズルである。
【００５０】
（実施の形態２）
−パワーモジュールの構造−
図７は、実施の形態２に係るパワーモジュールセットの断面図である。図１に示す部材と同じ符号で示されている部材は、実施の形態１で説明した通りであるので、本実施の形態では説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。
【００５２】
そして、パワーモジュール１０には、実施の形態１と同様の構成を有するヒートシンク２１，溶射複合材料層２８，絶縁樹脂層２６および金属配線２３に加えて、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４とが設けられている。金属配線２３は、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続している。図示されていないが、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極および裏面電極が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。
【００５３】
また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電力用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電力用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。
【００５４】
本実施の形態のパワーモジュール１０においては、上述のＰｂフリー半田からなる半田層１４と、絶縁樹脂層２６とを備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が２５０℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が３００℃を超えるもの）は除くものとする。
【００５５】
本実施の形態では、絶縁樹脂層２６には、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、２５０℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。
【００５６】
本実施の形態では、絶縁樹脂層２６の下地である溶射複合材料層２８の表面は溶射処理された状態であり、研磨等はされていない。溶射処理された状態では、表面が荒れた状態であるので、絶縁樹脂層２６との接触面積が拡大するなど、研磨面よりも接着剤の接着力を高める点で有利である。
【００５７】
絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。
【００５８】
本実施の形態によると、上記実施の形態１における放熱構造体の構造に加えて、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んで放熱構造体の溶射複合材料層２８に接続する構造としているので、上記実施の形態１の効果に加えて、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、溶射複合材料層２８の表面を溶射処理されたままにしているので、絶縁樹脂層２６による放熱構造体の溶射複合材料層２８と金属配線２３との固着強度が向上し、接合部の信頼性を高く維持することができる。
【００５９】
また、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、２つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成率の大きいＰｂフリー半田（たとえば積層点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、銅喰われ問題，酸化物問題はじめ多くの問題が重なって、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が２５０℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
【００６０】
すなわち、２つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
【００６１】
一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田を用いることは困難である。
【００６２】
それに対し、本実施の形態のごとく、溶射複合材料層２８と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。そして、溶射複合材料層２８の上端部がほとんどＣｕまたはＣｕ合金のみによって構成されているので、絶縁樹脂層２６の上下における溶射複合材料層２８と金属配線２３との熱膨張係数差はほとんどない。したがって、一般には、半田層よりも製造コストは安価だが接合強度が劣る絶縁樹脂層２６によって、溶射複合材料層２８と金属配線２３とを接続することにより、絶縁樹脂層２６による接合の信頼性を比較的高く維持しつつ、製造コストの低減を図ることができる。また、溶射複合材料層２８の表面は、溶射法を用いた形成された状態では、表面が荒れているが、接着剤の接着強度を高める点では、表面が荒れていることが好ましい。
【００６３】
（他の実施の形態）
上記各実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、金属配線２３とは同じ材料でない他の金属、ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＳｉＣ，ＷＣなどのセラミックス、或いは、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００６４】
本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、ヒートシンク２１とは同じ材料でない他の金属や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００６５】
（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
【００６６】
上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
【００６７】
上記各実施の形態では、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
【００６８】
ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００６９】
上記各実施の形態では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。
【００７０】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のパワーモジュールは、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載した各種機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施の形態１に係る放熱構造体の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１における放熱構造体の製造工程を示す斜視図である。
【図３】コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。
【図４】ＨＶＡＦ法（ＨＶＯＦ法）の概略を説明する断面図である。
【図５】ＡＤの概略を説明する断面図である。
【図６】実施の形態１の変形例を示す図である。
【図７】実施の形態２に係るパワーモジュールセットの断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    パワーモジュール
１１    半導体チップ
１４    半田層
１７    信号配線
１８    大電力用配線
２１    ヒートシンク
２１ａ  平板部
２１ｂ  フィン部
２１ｘ  ヒートシンク連続体
２３    金属配線
２５    Ｏリング
２６    絶縁樹脂層
２８    溶射複合材料層
４０    ゲル層
５０    放熱器
５０ａ  天板
５０ｂ  容器
５１    空間
５３    モジュール樹脂枠
５６    電極端子層
【図１】
2008300606.tif 000003
【図２】
2008300606.tif 000004
【図３】
2008300606.tif 000005
【図４】
2008300606.tif 000006
【図５】
2008300606.tif 000007
【図６】
2008300606.tif 000008
【図７】
2008300606.tif 000009