(57)【要約】【課題】接合部の信頼性が高く、製造コストの安価な放熱構造体やパワーモジュールを提供する。【解決手段】放熱構造体は、ヒートシンク２１の上に、酸化膜２７と、溶射法（コールドスプレー法）によって形成された金属層２８とを備えている。酸化膜２７は、ヒートシンク２１を熱間押し出し成形する場合には、熱間押し出し成形の際に形成される厚い酸化膜を利用することができる。酸化膜２７が介在していることで、ヒートシンク２１を構成する金属材料と、金属層２８を構成する金属材料との反応による金属間化合物の生成が抑制される。【選択図】図１
2008243878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成された金属層と、
を備えている、放熱構造体。
【請求項２】
請求項１記載の放熱構造体において、
前記ヒートシンクは、フィン部を有している、放熱構造体。
【請求項３】
請求項１または２記載の放熱構造体において、
前記絶縁膜の厚みは、５０ｎｍ以上である、放熱構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の放熱構造体において、
前記金属層は、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕおよびＣｕ合金から選ばれた金属によって構成されている、放熱構造体。
【請求項５】
フィンを有するヒートシンク連続体を形成する工程（ａ）と、
前記ヒートシンク連続体の上に絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記絶縁膜の上に、溶射により金属層を形成する工程（ｃ）と、
前記ヒートシンク連続体，絶縁膜および金属層を切断して、放熱構造体に分離する工程（ｄ）と、
を含む放熱構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記ヒートシンク連続体を熱間押し出し成形により形成して、前記工程（ｂ）を同時に行う、放熱構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）では、前記絶縁膜を、ヒートシンク連続体を構成する材料の陽極酸化によって形成する、放熱構造体の製造方法。
【請求項８】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成された金属層と、
前記金属層の上に形成された絶縁接続層と、
前記絶縁接続層の上に形成された半導体チップ用配線部材と、
を備えている、パワーモジュール。
【請求項９】
請求項８記載のパワーモジュールにおいて、
前記絶縁接続層は、樹脂接着剤層である、パワーモジュール。
【請求項１０】
請求項９または８記載のパワーモジュールにおいて、
前記ヒートシンクは、フィン部を有している、パワーモジュール。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記絶縁膜の厚みは、５０ｎｍ以上である、パワーモジュール。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記金属層は、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕおよびＣｕ合金から選ばれた金属によって構成されている、パワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１２記載のパワーモジュールにおいて、
前記金属層は、厚み０．５ｍｍ以上のＣｕ層またはＣｕ合金層である、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、半導体チップ等の発熱に対する冷却機能を有する放熱構造体，その製造方法およびパワーモジュールに関する。
【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率差によって冷却後にそりが生じるおそれがあった。接合の信頼性を確保するために、銅とアルミニウムとの拡散反応を防止するために銀からなる金属層を設けているので、製造コストが高くつく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金属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く、製造コストの安価な放熱構造体，その製造方法およびパワーモジュール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は、ヒートシンクの上に絶縁膜を設け、この絶縁膜を挟んでヒートシンクに対向するように、金属層を設けたものである。
【０００７】
これにより、ヒートシンクと金属層との間に絶縁膜が介在していることで、ヒートシンクと金属層との反応によって接合部に金属間化合物などが形成されるのを抑制することができる。また、溶射処理は比較的低温での処理で行われるので、ヒートシンクと金属層との熱膨張率差に起因する反りも小さく抑制することができる。また、Ａｇ等の高価な材料を用いる必要がないので、製造コストが比較的安価である。よって、接合部の信頼性が高く、製造コストの安価な放熱構造体が得られることになる。
【０００８】
その場合、ヒートシンクに、フィン部を設けることにより、放熱機能の拡大を図ることができる。
【０００９】
絶縁膜の厚みが、５０ｎｍ以上であることにより、金属層配線部材とヒートシンクとの反応をより確実に抑制することができる。
【００１０】
金属層が、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕおよびＣｕ合金から選ばれた金属によって構成されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の放熱構造体の製造方法は、フィンを有するヒートシンク連続体を形成した後、絶縁膜，金属層を順次形成してから、ヒートシンク連続体，絶縁膜および金属層を切断して、放熱構造体に分離する方法である。
【００１２】
この方法により、多数のヒートシンクとなるヒートシンク連続体に対して、絶縁膜，溶射金属層を同時に形成することが可能になり、上述のような利点を有する放熱構造体を、より安価に製造することができる。
【００１３】
ヒートシンク連続体は、ダイキャスト成形によって形成することもできるが、熱間押し出し成形により形成することにより、その表面に絶縁膜である酸化膜が形成される。つまり、成形工程と酸化工程とが同時に行われるので、別途絶縁膜の形成を行わなくてもよく、さらなる製造コストの削減を図ることができる。
【００１４】
絶縁膜として、酸化膜を、ヒートシンク連続体を構成する材料の陽極酸化によって形成することにより、金属層の形成時における粒子の衝撃を受けても高い信頼性を保持しうる強固な絶縁膜を形成することが可能となる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、上記放熱構造体の金属層の上に、絶縁接続層を挟んで半導体チップ用の配線部材を設けたものである。
【００１６】
これにより、安価で接合部の信頼性の高い放熱構造体をパワーモジュールの放熱機構として利用することが可能になる。また、金属層と配線部材との材料を熱膨張係数差がないかほとんどないものに適宜選択することにより、絶縁接続層に印加される熱応力を低減することができ、パワーモジュールとしても接合の信頼性を高く維持することが可能となる。
【００１７】
絶縁接続層が樹脂接着剤層であることにより、製造コストの削減を図ることが可能になる。
【００１８】
また、ヒートシンクに、フィン部を設けることにより、放熱機能の拡大を図ることができる。
【００１９】
絶縁膜の厚みが、５０ｎｍ以上であることにより、配線部材とヒートシンクとの反応をより確実に抑制することができる。
【００２０】
金属層が、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕおよびＣｕ合金から選ばれた金属によって構成されていることが好ましい。
【００２１】
金属層が、厚み０．５ｍｍ以上のＣｕ層またはＣｕ合金層であることにより、半導体チップからの放熱経路を横方向に拡大するヒートスプレッダー機能が得られるとともに、金属層に作用する応力に耐えうる強度が確保される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の放熱構造体およびその製造方法によると、接合の信頼性を保持しつつ、安価な放熱構造体を得ることができる。また、本発明のパワーモジュールによると、上記放熱構造体をパワーモジュールの放熱機構として利用することにより、安価で接合部の信頼性の高いパワーモジュールが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（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と、平板部２１ａの上に形成された絶縁膜である酸化膜２７と、酸化膜２７の上に形成された金属層２８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。
【００２４】
本実施の形態では、ヒートシンク２１は、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。
【００２５】
本実施の形態では、金属層２８は、ＣｕまたはＣｕ合金からなり、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金属層２８は、比較的低温（数百℃）で形成されるので、ＡｌまたはＡｌ合金からなるヒートシンク２１との熱膨張率の差があっても、実用的に問題となる程の大きな反りを生じることがない。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、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。
【００２６】
本実施の形態では、酸化膜２７は、５０ｎｍ以上の厚みを有している。たとえば、ヒートシンク形成時に、熱間押し出し法を用いることによって、１μｍ〜３μｍ程度の比較的厚い酸化膜を形成することができる。また、ヒートシンク形成時に、ダイキャスト成形や冷間押し出し成形を用いた場合は、酸化膜２７は、陽極酸化法、熱酸化法などによって、形成されていてもよい。いずれの場合においても、接合の信頼性を確保するためには、酸化膜２７の厚みは、５０ｎｍ以上であることが必要である。なお、酸化膜に代えて、Ａｌ又はＡｌ合金の窒化処理によってＡｌＮ膜を形成してもよい。
【００２７】
本実施の形態の放熱構造体によると、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属層２８と、ＡｌまたはＡｌ合金からなるヒートシンク２１との間に、酸化膜２７が介在しているので、Ｃｕ−Ａｌ間の反応による金属間化合物（たとえばＣｕＡｌ２）の生成を抑制することができる。特に、酸化膜２７の厚みが５０ｎｍ以上であることにより、Ｃｕ−Ａｌ間の反応を確実に抑制することができる。
【００２８】
金属層２８は、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕまたはＣｕ合金によって構成されていることが好ましい。後述するように、ヒートシンク２１は押し出し成形によって形成することにより、製造コストの低減を図ることができるが、これらの材料は押し出し成形が可能であり、しかも熱伝導率が高いので、放熱構造体のヒートシンクには好適な材料である。
【００２９】
−放熱構造体の製造方法−
図２（ａ）〜（ｃ）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。ＡｌまたはＡｌ合金に代えて、熱伝導率がより高いＣｕまたはＣｕ合金を用いてもよいが、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた方が、ピッチの小さいフィン部２１Ｂを形成することができる利点がある。
【００３０】
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、高温の水蒸気にさらして酸化膜２７を形成する。また、陽極酸化法を用いてもよい。その場合には、陽極酸化法で形成された酸化膜には、多数のピンホールが存在するので、酸化膜２７を水蒸気にさらすことによって、封孔処理を行う。熱間押し出し成形によってヒートシンク連続体２１を形成する場合には、表面に厚さ１μｍ〜３μｍの酸化膜が形成されるので、酸化処理を別途設ける必要はない。以上の処理は、公知の処理を利用することができる。
【００３１】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、コールドスプレー法を用いて、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属層２８を酸化膜２７の上に形成する。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６０は、上方から粒子が投入されるホッパー６１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、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。
【００３２】
ホッパー６１に被膜材料であるＣｕまたはＣｕ合金の粒子（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、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で加熱圧縮空気と粒子とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、ヒートシンク連続体２１ｘ上の酸化膜２７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堆積されて、金属層２８が形成される。
【００３３】
以上のように、ヒートシンク連続体２１ｘの上に、酸化膜２７，金属層２８を順次形成した後、ヒートシンク連続体２１ｘを切断して、ヒートシンク２１，酸化膜２７および金属層２８からなる放熱構造体を形成する。
【００３４】
本実施の形態の放熱構造体の製造方法によると、金属層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、比較的低温で金属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、酸化膜２７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と金属層２８との熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、多数のヒートシンク２１を含むヒートシンク連続体２１ｘの上に、酸化膜２７，金属層２８を形成するので、製造工程が簡素化されて、製造コストの低減を図ることができる。
【００３５】
（実施の形態２）
−パワーモジュールの構造−
図４は、実施の形態２におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施の形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。本実施形態においては、矩形状貫通穴が多数設けられているが、１つだけでもよい。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。
【００３６】
本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
【００３７】
図５は、実施の形態２に係るパワーモジュールセットのV-V線における断面図である。ただし、図５において配線構造の図示は省略されている。また、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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，酸化膜２７および金属層２８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、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するための金属配線２３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、金属配線２３と金属層２８との間に介在する絶縁樹脂層２６とが設けられている。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。
【００４０】
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。
【００４１】
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３００℃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。
【００４２】
絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、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、３００℃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。
【００４３】
本実施の形態では、絶縁樹脂層２６の下地である金属層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。
【００４４】
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。
【００４５】
本実施の形態によると、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んで放熱構造体の金属層２８に接続する構造としているので、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、金属層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金属層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。
【００４６】
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組成比の高い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３００℃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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
それに対し、本実施の形態のごとく、金属層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。
【００５０】
本実施の形態では、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、ＣｕまたはＣｕ合金も、押し出し成形が可能であり、熱伝導率はＡｌまたはＡｌ合金よりも高い。その他、押し出し成形を行うのでなければ、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００５１】
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、Ａｌ，Ａｌ合金や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００５２】
本実施の形態では、金属層２８の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、ＡｌまたはＡｌ合金であってもよい。ただし、金属層として、より熱伝導率の高いＣｕまたはＣｕ合金を用い、その厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、半導体チップ１１からの放熱経路を横方向に拡大する，いわゆるヒートスプレッダー機能を高めることができる。また、金属層２８には、ヒートシンク２１，絶縁樹脂層２６，金属配線２３などとの熱膨張率差に起因する熱応力が作用する。また、金属層２８の形成時には、粒子の超高速流の衝撃によって、酸化膜２７およびヒートシンク２１に残留圧縮歪が生じるが、この残留圧縮歪によっても金属層２８に応力が加わる。そこで、金属層２８の厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、各種応力に耐えうる強度が確保される。
【００５３】
また、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金により構成し、金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金により構成し、金属配線２３をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。まず、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金によって構成することにより、押し出し成形によって微細ピッチのフィン部２１ｂを容易に形成することができ、放熱機能をより高く発揮することができる。また、金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、上述のヒートスプレッダー機能を発揮しうるとともに、同じくＣｕまたはＣｕ合金からなる金属配線２３と金属層２８とが絶縁樹脂層２６を挟む構造になるので、ろう付けや半田付けよりも接合機能の低い樹脂絶縁層２６に、熱膨張率差に起因する熱応力をほとんど印加せずに済む利点がある。つまり、低融点のＰｂフリー半田のみを使用することによるＰｂフリー化を実現するために有利な構造となる。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
上記実施の形態では、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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。
【００５９】
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】
【００６０】
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】
【００６１】
【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）〜（ｃ）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】実施の形態２におけるパワーモジュールセットの構造を示す斜視図である。
【図５】実施の形態２に係るパワーモジュールセットのV-V線における断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
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
２２    凹凸部
２２ａ  凹部
２３    金属配線
２５    Ｏリング
２６    絶縁樹脂層
２７    酸化膜
２８    金属層
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】
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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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