(57)【要約】【課題】反りを低減すると共に、熱伝導率が低下するのも抑制すること。【解決手段】放熱体１４の放熱体本体１５に低熱膨張材１６が積層されている。低熱膨張材１６は、放熱体本体１５に積層することで放熱体１４全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張材との差を吸収させるためのもので、放熱体本体１５の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上で、その熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、絶縁基板１１の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下で、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなっており、Ｆｅ、若しくはＳＵＳ等からなっている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、放熱体本体に低熱膨張材を積層して構成され、該低熱膨張材は、前記放熱体本体の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上で、その熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、かつ前記絶縁基板の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下で、かつ熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
前記放熱体本体の厚みをｔ１、低熱膨張材の厚みをｔ２としたとき、前記放熱体全体がｔ１＋ｔ２≦５ｍｍであることを特徴とするパワーモジュール用基板。（但し、ｔ２≦（ｔ１／３）である）
【請求項３】
請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、
前記低熱膨張材の熱膨張係数と熱伝導率とは、（熱伝導率／熱膨張係数）＜２０　であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁基板上にチップを搭載してな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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に係り、特に半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させる放熱体を有するパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のパワーモジュール用基板にあっては、充分な放熱効果を得るために、熱膨張による基板構成材のそりを可及的小に抑えなければならないという要請がある。そこで、従来のこの種の基板としては、セラミックス材料からなる絶縁基板と放熱体とをはんだ等の変形抵抗の小さな金属で接合したものが提供されている。
また、従来のこの種の基板として、絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着されたものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であり、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収することで絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できるように構成され、いわゆる応力緩和層をなしている。
また、可塑性多孔質金属層の代わりとして、スリットを有する金属層を用いることもできる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来のパワーモジュール用基板において、絶縁基板と放熱体とをはんだ等の変形抵抗小さな金属で接合する場合には、絶縁基板直下の熱抵抗が増大するという問題があった。また、上記可塑性多孔質金属層を用いたものは、当該可塑性多孔質金属層が絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板、放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、放熱効果が悪くなっていた。そのため、発熱量の大きい半導体チップを用いた場合、熱により半導体チップが機能しなくなるという問題があった。
【０００５】
一般に、絶縁基板と放熱体とのように、互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防ぐためには、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。その場合、熱膨張係数の低い方（絶縁基板）に合わせることとなるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝達率が低下して放熱効果の低下をきたし、反り対策と良好な熱伝導との双方を兼ね備えたものを製作するのが困難であった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、絶縁性基板及び放熱体の双方の熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下するのも抑制することができるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板を一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体が放熱体本体に低熱膨張材を積層しており、前記放熱体は、放熱体本体に低熱膨張材を積層して構成され、該低熱膨張材は、前記放熱体本体の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上で、その熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、かつ前記絶縁基板の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下で、かつ熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体の放熱体本体の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上で、かつ熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、絶縁基板の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、放熱体本体に積層された低熱膨張材の熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下の材質で、かつ熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなるので、絶縁基板と、放熱体本体及び低熱膨張材からなる放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすると共に、放熱体全体の熱伝導率を確保することができ、そのため、絶縁基板上に搭載された半導体チップの発熱が大きくとも、絶縁基板及び放熱体に生じる反りを低減できるばかりでなく、半導体チップから絶縁基板を介して放熱体間に伝達される熱伝導率が低下するのを確実に抑制することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記放熱体本体の厚みをｔ１、低熱膨張材の厚みをｔ２としたとき、前記放熱体全体がｔ１＋ｔ２≦５ｍｍであることを特徴とする。（但し、ｔ２≦（ｔ１／３）である）
【００１０】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体本体の厚みをｔ１、低熱膨張材の厚みをｔ２としたとき、放熱体全体がｔ１＋ｔ２≦５ｍｍからなっているので、低熱膨張材が厚過ぎることによって放熱性が逆に低下するおそれも解消することができ、放熱体全体が良好な放熱機能を得ることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材の熱膨張係数と熱伝導率とは、（熱伝導率／熱膨張係数）＜２０　であることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、（熱伝導率／熱膨張係数）＜２０の関係となっているので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ両者の良好な熱伝導率が得られる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態に係るパワーモジュールを示す図である。
この実施形態のパワーモジュール１００において、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と、放熱体１４とを備える。絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。
放熱体１４は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質で形成された放熱体本体１５からなっている。
【００１４】
絶縁基板１１の回路層１２上に半導体チップ２０が搭載される一方、金属層１３の下面にろう付けによって放熱体１４が直接接合され、更に、この放熱体１４が例えば冷却シンク部（図示せず）に取り付けられて使用されたとき、該冷却シンク部内の冷却水（或いは冷却空気）によって放熱体に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュール１００が構成されている。上記ろう付けは、その接合が５００℃以上のろう材を用いた場合の接合方法が採用される。
【００１５】
この実施形態は、放熱体１４の放熱体本体１５に低熱膨張材１６が積層されている。低熱膨張材１６は、放熱体本体１５に積層することで、放熱体１４全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張材との差を可及的に近づけさせるためのものである。
【００１６】
その場合、放熱体本体１５の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上の材質で、かつその熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、絶縁基板１１の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、低熱膨張材１６の熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下の材質で、かつ熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなっており、例えば放熱体本体１５及び絶縁基板１１が上記した材質で構成されたとき、Ｆｅ、若しくはＳＵＳ等からなっている。従って、放熱体本体１５と低熱膨張材１６とは、それぞれ単一材質で構成されている。
【００１７】
また、放熱体本体１５の厚みをｔ１、低熱膨張材１６の厚みをｔ２としたとき、放熱体１４全体がｔ１＋ｔ２≦５ｍｍからなっている。但し、この場合、低熱膨張材１６が厚すぎると、放熱性が低下するおそれがあることから、ｔ２≦（ｔ１／３）ｍｍとしている。
【００１８】
更に、低熱膨張材１６の熱膨張係数αと熱伝導率κとは、絶縁基板１１と放熱体１４との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ両者の熱伝導率を良好にするため、以下の関係となることが好ましい。
（κ／α）＜４
【００１９】
この実施形態のパワーモジュール基板１０は、上記のように、放熱体１４の放熱体本体１５の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上の材質で、かつ熱膨張係数が１５ｐｐｍ／℃以上の材質であって、絶縁基板１１の熱膨張係数が４〜１０ｐｐｍ／℃の材質であるとき、放熱体本体１５に積層された低熱膨張材１６の熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃以下の材質で、かつ熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の材質からなるので、絶縁基板１１と、放熱体本体１５及び低熱膨張材１６からなる放熱体１４全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすると共に、放熱体１４全体の熱伝導率を確保することができる結果、絶縁基板１１上に搭載された半導体チップ２０の発熱が大きくとも、絶縁基板１１及び放熱体１４に生じる反りを低減できるばかりでなく、半導体チップ２０から絶縁基板１１を介して放熱体１４間に伝達される熱伝導率が低下するのを確実に抑制することができる。
【００２０】
これは、放熱体本体１５の熱電導率が１４０Ｗ／ｍＫ以下では、十分な放熱性が得られず、また、低熱膨張材１６の熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃を越えると、反り低減効果を得ることができないことに起因する数値であ。
従って、上記の数値とすることにより、絶縁基板１１と放熱体本体１５との材質の膨張係数に差があっても、反りが可及的に少なく、かつ熱伝導率の良好なパワーモジュール基板１０を得ることができる。
【００２１】
また、放熱体本体１５の厚みをｔ１、低熱膨張材１６の厚みをｔ２としたとき、放熱体１４全体がｔ１＋ｔ２≦５ｍｍからなっているので、低熱膨張材１６が厚過ぎることによって放熱性が逆に低下するおそれも解消することができる。
【００２２】
更に、低熱膨張材１６の熱膨張係数αと熱伝導率κとが、（κ／α）＜２０の関係となっているので、絶縁基板１１と放熱体１４との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ両者の熱伝導率を良好にすることができる。
【００２３】
そして、放熱体本体１５と低熱膨張材１６とがそれぞれ単一材質で構成されていると、即ち、放熱体本体１５がＡｌ、Ｃｕで、かつ低熱膨張材１６がＦｅ、ＳＵＳ等で構成されていると、ＡｌＳｉＣ、ＣｕＭｏ等のような複合材を用いることがないので、コスト高を招くおそれもなく、反りを抑えかつ熱伝導率の低下を抑えるパワーモジュール基板を安価に製作することもできる。
【００２４】
なお、図示実施形態では、絶縁基板１１において放熱体１４側の面に金属層１３が積層された例を示したが、これに限らず、金属層１３が設けられていない絶縁基板１１を放熱体１４に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
また、放熱体１４として、所望の厚みの板体からなる放熱体本体１５を用いた例を示したが、それ以外として、例えば図２に示すように、フィン部１５１を有する放熱体１４に適用しても同様の効果が得られる。この場合、放熱体本体１５０の下面にフィン部１５１のみが突出するように低熱膨張材１６を積層するだけでよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、放熱体の放熱体本体に積層された低熱膨張材の材質が、放熱体本体と絶縁基板との材質との関係から考慮することで、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすると共に、放熱体全体の熱伝導率を確保することができるように構成したので、絶縁基板上に搭載された半導体チップの発熱が大きくとも、絶縁基板及び放熱体に生じる反りを低減できるばかりでなく、半導体チップから絶縁基板を介して放熱体間に伝達される熱伝導率が低下するのを確実に抑制することができる結果、反りが可及的に少なく、かつ熱伝導率の良好なパワーモジュール基板を得ることができるという効果が得られる。
【００２６】
請求項２に係る発明によれば、低熱膨張材が厚過ぎることによって放熱性が逆に低下するおそれも解消することができ、放熱体全体が良好な放熱機能を得ることができるという効果が得られる。
【００２７】
請求項３に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ両者の良好な熱伝導率が得られる。
【００２８】
請求項４によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】放熱体の放熱体本体として、放熱フィンを用いた場合のパワーモジュールを示す説明図である。
【符号の説明】
１０　　パワーモジュール用基板
１１　　絶縁基板
１４　　放熱体
１５　　放熱体本体
１６　　低熱膨張材
１００　　パワーモジュール
【図１】
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【図２】
2004119849.tif 000004