(57)【要約】【課題】使用に際して温度サイクル下に置かれた場合においても、高い接合信頼性を維持できる放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を提供すること。【解決手段】絶縁基板１４を有する絶縁回路基板１８と，この絶縁回路基板１８の一方の面に設けられた放熱体１７と，絶縁回路基板１８の他方の面に設けられた半導体チップ１３とを備えたパワーモジュール１０であって、絶縁回路基板１８は、絶縁基板１４の一方の面に設けられた金属層１６を備え、放熱体１７は、少なくとも絶縁回路基板１８との当接面を構成する放熱体本体部２１を備え、放熱体本体部２１及び金属層１６は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、放熱体１７は、絶縁回路基板１８の一方の面にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層１９を介して接合されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被放熱体からの熱を放熱する放熱体であって、
放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、
前記放熱体本体部は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、
前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とは、Ｓｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする放熱体。
【請求項２】
請求項１記載の放熱体において、
前記低熱膨張材には、これを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする放熱体。
【請求項３】
請求項２記載の放熱体において、
前記孔は、前記低熱膨張材において、前記被放熱体と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする放熱体。
【請求項４】
請求項２または３に記載の放熱体において、
前記孔は、前記放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされていることを特徴とする放熱体。
【請求項５】
絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
前記絶縁回路基板は、前記絶縁基板の一方の面に設けられた金属層を備え、
前記放熱体は、少なくとも前記絶縁回路基板との当接面を構成する放熱体本体部を備え、
前記放熱体本体部及び前記金属層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、
前記放熱体は、前記絶縁回路基板の一方の面にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項５記載のパワーモジュールにおいて、
前記放熱体が、請求項１から４のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
被放熱体の熱を放熱する放熱体の製造方法であって、
放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、
前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の外表面うち少なくとも前記低熱膨張材の接合面表面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、
少なくとも前記接合面の前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、
前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とを接合する加圧加熱工程とを有することを特徴とする放熱体の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の放熱体の製造方法において、
前記低熱膨張材は、前記Ｎｉめっき層形成工程を経るに際し予め、
前記低熱膨張材表面にこれを貫通する孔を穿設する孔穿設工程と、
前記孔に前記放熱体本体の材質と同一材質からなる孔埋め材を配設する孔埋め工程とを経ることを特徴とする放熱体の製造方法。
【請求項９】
絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記絶縁回路基板及び前記放熱体の両者または一方の外表面のうち少なくとも接合面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、
少なくとも前記接合面の前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、
前記絶縁回路基板及び前記放熱体の前記各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記絶縁回路基板と前記放熱体とを接合する加圧加熱工程と、
前記絶縁回路基板表面に半導体チップを接合する半導体チップ接合工程とを有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれかに記載の放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法において、
前記Ｎｉめっき層は、Ｐ濃度が１２．０重量％以上であることを特徴とする放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法。
【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放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のパワーモジュールにあっては、絶縁基板を有する絶縁回路基板（以下、「基板」という）と放熱体とが積層接合され、絶縁回路基板表面に半導体チップが接合された構成のものが一般的である。
従来から、このパワーモジュールを形成するに際しては、半導体チップの接合に対する高信頼性を確保するため３６０℃以上の高温で接合されるので、絶縁回路基板と放熱体との接合部の熱劣化を防止するため、まず、基板表面に半導体チップをはんだ接合した後に、この基板を２５０℃で放熱体にはんだ接合する方法が採用されている。
【０００３】
ところが、このパワーモジュールの製造方法においては、基板表面に半導体チップを接合した後に、これをさらに加熱し、基板と放熱体とを接合するため、形成されたパワーモジュールにおいて、半導体チップを接合するはんだ層の組織が粗大化する場合があった。このため、このパワーモジュールを実際に使用するに際して、半導体チップの発熱等に起因してこのはんだ層に付加される温度サイクルによって、当該はんだ層に亀裂が発生する場合等があり、この種のパワーモジュールの高い接合信頼性を確保することができないという問題があった。
【０００４】
この半導体チップと基板との接合部の組織の粗大化発生を抑制するための手段として、前記従来の製造方法とは逆に、まず、基板と放熱体とを接合しておき、その後、基板表面に半導体チップを接合する方法が考えられる。しかしながら、この場合、基板と放熱体との接合温度を基板と半導体チップとの接合温度より高くし、半導体チップを基板に接合する際に、基板と放熱体との接合部が破損等することがないようにする必要がある。
【０００５】
しかしながら、一般に、パワーモジュールにおいては、基板と放熱体とは熱膨張係数が大きく異なるので、この熱膨張係数差に起因して、基板と放熱体との接合温度を従来より高くすると、基板及び放熱体に反りや割れが発生する場合がある。従って、このような製造方法では、パワーモジュールの高い接合信頼性を確保できないという前記問題を解決することはできない。
【０００６】
ところで、従来から、前記接合部を金属間化合物化すると、それ自体の強度が高められることについては知られている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、この従来の前記接合部の金属間化合物化を適用して基板と放熱体とを接合したパワーモジュールを温度サイクル下に置くと、前述の従来の製造方法により形成したパワーモジュールにおいて発生していた前記接合部の破損が、この金属間化合物化された前記接合部においても同様に発生するという問題があった。すなわち、従来の前記接合部の金属間化合物化をパワーモジュールに適用しても、使用温度サイクルに対して、前記接合部の高い接合信頼性を確保できないという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−００１５２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、使用に際して温度サイクル下に置かれた場合においても、高い接合信頼性を維持できる放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前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、被放熱体からの熱を放熱する放熱体であって、放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体部は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とは、Ｓｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体本体部と低熱膨張材とがＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されているので、この接合部自体の強度の高強度化を図ることができるとともに、放熱体が温度サイクル下で使用される場合においても、放熱体本体部と低熱膨張材との接合部が熱により劣化することが最小限に抑制される。従って、放熱体において、放熱体本体部と低熱膨張材との高い接合信頼性が実現されることになる。
さらに、放熱体本体部は前記材料で形成されているので、放熱体本体部の変形抵抗を小さくすることができる。従って、金属間化合物層と放熱体本体部との熱膨張係数が異なっていた場合において、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合、以下の作用を奏することになる。すなわち、放熱体本体部表面のうち金属間化合物層との当接面では、熱による膨張，収縮変形が高強度の金属間化合物層により拘束されるが、この当接面以外では、金属間化合物層により略拘束されず膨張，収縮変形することになる。これにより、この放熱体が温度サイクル下おかれた状態でも、金属間化合物層と，放熱体本体部との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、放熱体の放熱体本体部と低熱膨張材との接合に対する高信頼性が確実に実現される。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の放熱体において、前記低熱膨張材には、これを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材に孔が穿設されているので、この孔に、純Ａｌ等の高熱伝導材である放熱体本体部と同一材質からなる孔埋め材を配設する構成を実現することができる。従って、放熱体が、低熱膨張材と放熱体本体部とが積層した構成であっても、放熱体本体部は放熱体の積層方向に連通することになる。これにより、被放熱体からの熱が、低熱膨張材の孔を介して放熱体の積層方向に確実に伝導し、この熱が外部に良好に放熱されることになる。従って、放熱体の熱膨張係数の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方が確実に実現されることになり、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。これにより、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の放熱体において、前記孔は、前記低熱膨張材において、前記被放熱体と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材において、被放熱体との対応領域に穿設された孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より小さくなっているので、放熱体の前記対応領域における曲げ剛性の低下が最小限に抑制され、被放熱体からの熱の影響で前記対応領域に反りが発生することが確実に抑制される。一方、前記周辺領域に穿設された孔の断面積が、前記対応領域に穿設された孔の断面積より大きくなっているので、被放熱体からの熱が放熱体の積層方向に良好に伝導されることになる。
以上により、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載の放熱体において、前記孔は、前記放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされていることを特徴とする。
【００１６】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材に設けられた貫通孔に、いわゆる高熱伝導材である放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされているので、低熱膨張材と放熱体本体部とが積層した構成においても、放熱体本体部は放熱体の積層方向に連通することになる。これにより、被放熱体からの熱が、低熱膨張材の孔を介して放熱体の積層方向に確実に伝導し、この熱が外部に良好に放熱されることになる。従って、放熱体の熱膨張係数の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方が確実に実現されることになる。
以上により、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。なお、前記孔埋めをするに際しては、孔に放熱体の本体部と同一材質でかつ低熱膨張材の厚さと略同一厚さの平板を嵌合する，又は粉末材料を低熱膨張材の厚さ分だけ充密する等の方法がある。
【００１７】
請求項５に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、前記絶縁回路基板は、前記絶縁基板の一方の面に設けられた金属層を備え、前記放熱体は、少なくとも前記絶縁回路基板との当接面を構成する放熱体本体部を備え、前記放熱体本体部及び前記金属層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、前記放熱体は、前記絶縁回路基板の一方の面にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁回路基板と放熱体とがＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されているので、この接合部自体の強度の高強度化を図ることができるとともに、パワーモジュールが温度サイクル下で使用される場合においても、絶縁回路基板と放熱体との接合部が熱により劣化することが最小限に抑制される。従って、パワーモジュールにおいて、絶縁回路基板と放熱体との高い接合信頼性が実現されることになる。
さらに、放熱体本体部及び前記金属層は、前記材料により形成されているので、これらの変形抵抗を小さくすることができる。従って、金属間化合物層と、放熱体及び金属層との熱膨張係数が異なっていた場合において、このパワーモジュールが温度サイクル下で使用された場合、以下の作用を奏することになる。すなわち、放熱体及び金属層の表面のうち金属間化合物層との当接面では、熱による膨張，収縮変形が高強度の金属間化合物層により拘束されるが、この当接面以外では、金属間化合物層により略拘束されず膨張，収縮変形することになる。これにより、このパワーモジュールが温度サイクル下おかれた状態でも、金属間化合物層と，放熱体及び金属層との接合界面に作用する負荷が抑制され、パワーモジュールの放熱体と絶縁回路基板との接合に対する高信頼性が確実に実現される。
【００１９】
請求項６に係る発明は、請求項５記載のパワーモジュールにおいて、前記放熱体が、請求項１から４のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とする。
【００２０】
請求項７係る発明は、被放熱体の熱を放熱する放熱体の製造方法であって、放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の外表面うち少なくとも前記低熱膨張材の接合面表面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、少なくとも前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とを接合する加圧加熱工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低熱膨張性を備えた放熱体が確実に形成され、従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を具備した放熱体を確実に形成することができる。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の放熱体の製造方法において、前記低熱膨張材は、前記Ｎｉめっき層形成工程を経るに際し予め、前記低熱膨張材表面にこれを貫通する孔を穿設する孔穿設工程と、前記孔に前記放熱体本体の材質と同一材質からなる孔埋め材を配設する孔埋め工程とを経ることを特徴とする。
【００２３】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低熱膨張性のみならず高熱膨張性をも兼ね備えた放熱体が確実に形成され、従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を具備した放熱体をより確実に形成することができる。
【００２４】
請求項９に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記絶縁回路基板及び前記放熱体の両者または一方の外表面のうち少なくとも接合面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、少なくとも前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、前記絶縁回路基板及び前記放熱体の前記各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記絶縁回路基板と前記放熱体とを接合する加圧加熱工程と、前記絶縁回路基板表面に半導体チップを接合する半導体チップ接合工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
この発明に係るパワーモジュールの製造方法によれば、前記Ｓｎ系材料層を形成する際に、予め、前記接合面にＮｉめっき層を形成しておくので、Ｓｎ系材料の良好な濡れ性が実現され、前記加圧加熱工程おける絶縁回路基板と放熱体との接合不良発生が抑制される。また、前記加圧加熱工程においては、前記圧力，温度，及び時間で行うので、Ｓｎ系材料層は確実にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層になる。
また、前記半導体チップ接合工程を経るに際し、予め、絶縁回路基板と放熱体とを金属間化合物層を介して接合しておくので、絶縁回路基板と放熱体との接合部が、前記半導体チップ接合工程における熱により劣化することが抑制される。従って、絶縁回路基板と放熱体との接合部が熱劣化していないパワーモジュールを形成することができるので、このパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合においても、前記接合部が容易に劣化することが回避される。
【００２６】
請求項１０に係る発明は、請求項７から９のいずれかに記載の放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法において、前記Ｎｉめっき層は、Ｐ濃度が１２．０重量％以上であることを特徴とする。
【００２７】
この発明に係る放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法によれば、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度が１２．０重量％以上であるので、このＮｉめっき層表面において良好なはんだの濡れ性が実現され、接合不良発生を確実に抑制することができる。
【００２８】
【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はこの発明の第一実施形態に係る放熱体及びこの放熱体を有するパワーモジュールを示す全体図である。
本第一実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、絶縁回路基板１８と、この回路基板１８側からの熱を放熱する放熱体１７と、放熱体１７に伝導した熱を外部へ放出する冷却シンク部３１と、絶縁回路基板１８上面に設けられた半導体チップ１３とを備えている。
【００２９】
絶縁回路基板１８は、例えばＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４等により所望の大きさに形成された絶縁基板１４と、この絶縁基板１４の上面に設けられた回路層１５と、絶縁基板１４の下面に設けられた金属層１６とを備えている。
回路層１５及び金属層１６はそれぞれ、図示しないろう材またははんだを介して絶縁基板１４に積層接合され，例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、特に、金属層１６については、純度９９．９８％以上の純Ａｌ、または純度９９．９８％以上の純Ｃｕで形成されるのが好ましい。この構成において、回路層１５上面にはんだ層２０を介して半導体チップ１３が接合されている。
【００３０】
放熱体１７は、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを備え、低熱膨張材２２は放熱体本体部２１同士の間に金属間化合物層１９を介して積層接合された構成となっている。すなわち、放熱体１７は二枚の放熱体本体部２１と一枚の低熱膨張材２２との三層構造であって、絶縁回路基板１８側と冷却シンク部３１側とにそれぞれ放熱体本体部２１が配設された構成となっている。この構成において、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１上面と、絶縁回路基板１８の金属層１６下面とが、金属間化合物層１９を介して接合されている。
ここで、放熱体本体部２１は、純Ａｌ若しくはＡｌ合金，好ましくは純度９９．５％以上の純Ａｌ、又は純Ｃｕ若しくはＣｕ合金，好ましくは純度９９．９％以上の純Ｃｕのような熱伝導性の良好な材質，いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上，好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
【００３１】
一方、低熱膨張材２２は平板とされ、放熱体本体部２１の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、放熱体本体部２１に積層接合することで、放熱体１７全体の熱膨張係数と絶縁回路基板１８側の熱膨張係数との差が可及的に近づくようになっている。この低熱膨張材２２は、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ２．０×１０−６／℃以下である。
ここで、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００３２】
低熱膨張材２２の厚さＡは、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成されている。これは、放熱体本体部２１に低熱膨張材２１を積層接合すると、それだけ放熱体１７自体の熱伝導率が低下するため、この熱伝導率の低下を極力抑えるためであるとともに、この熱伝導率の低下を抑えるために、徒に低熱膨張材２２の厚さＡを薄くすると、放熱体１７自体の熱膨張係数に寄与する低熱膨張材２２の影響が小さくなり、放熱体１７自体の熱膨張係数が放熱体本体部２１の熱膨張係数と略同一となることを回避するためである。
すなわち、低熱膨張材２２の厚さＡを放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下とすることにより、放熱体１７自体の熱膨張係数の低下，すなわち放熱体１７の反り発生抑制と、放熱体１７自体の熱伝導率の低下抑制との双方を図る構成となっている。
【００３３】
従って、低熱膨張材２２の厚さＡ，及び放熱体本体部２１の厚さＢは、放熱体本体部２１の材質に応じて、前記設定範囲内で適宜選択される。例えば、放熱体本体部２１を純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成した場合、前記厚さＡは、前記厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成され、一方、放熱体本体部２１を純Ｃｕ若しくはＣｕ合金により形成した場合、前記厚さＡは、前記厚さＢの０．３倍以上０．８倍以下で形成される。前者の場合、例えば、放熱体本体部２１の厚さＢが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の場合、低熱膨張材２２の厚さＡは０．１５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で形成され、後者の場合、放熱体本体部２１の厚さＢが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の場合、低熱膨張材２２の厚さＡは０．０９ｍｍ以上１．２ｍｍ以下で形成される。
【００３４】
このように放熱体本体部２１の材質に応じて、前記厚さＡを前記厚さＢに対して適宜設定することにより、放熱体１７自体の剛性及び熱膨張係数を、半導体チップ１３の発熱量，及び絶縁基板１４の大きさ，熱膨張係数等に適合させることができ、放熱体１７に反りが発生することを確実に抑制できる構成となっている。
【００３５】
この構成において、放熱体１７が冷却シンク部３１に取り付けられて使用されると、この冷却シンク部３１内の冷却液（或いは冷却空気）３２により、半導体チップ１３から放熱体１７に伝導される熱が外部に放熱されるようになっている。この放熱体１７は、冷却シンク部３１に取付ねじ３３によって密着した状態で取り付けられている。
【００３６】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０を形成する製造方法について説明する。
まず、絶縁基板１４の上面に回路層１５を，下面に金属層１６をそれぞれ、はんだ付け，またはろう付けにより積層接合し、絶縁回路基板１８を形成する。
【００３７】
また、放熱体１７においては、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の各表面に厚さ４．０μｍ以上，好ましくは４．０μｍ以上２０μｍ以下のＮｉめっき層を形成し、その後、このＮｉめっき層表面のうち、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の互いに接合し合う面（以下、「接合面」という）に、Ｓｎ―３．５ＡｇからなるＳｎ系材料層を形成する。すなわち、図１において、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１の下面側にＳｎ系材料層を形成し、また、低熱膨張材２２の上下面側にＳｎ系材料層を形成し、また、冷却シンク部３１側の放熱体本体部２１の上面側にＳｎ系材料層を形成する。
ここで、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度は１２．０重量％以上，より好ましくは１２．０重量％以上１５．０重量％以下とされ、また、Ｓｎ系材料層はＳｎの含有率が８０％以上，より好ましくは９０％以上とされている。
【００３８】
その後、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の前記各接合面の表面側に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した後、この状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることにより、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２が積層接合され放熱体１７が形成される。
【００３９】
次に、以上のように形成された放熱体１７の絶縁回路基板１８側の表面，及び絶縁回路基板１８の金属層１６下面に前述と同様のＮｉめっき層を形成し、さらに、これら各Ｎｉめっき層表面に前述と同様のＳｎ系材料層を形成する。その後、これら放熱体１７及び絶縁回路基板１８に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることにより、絶縁回路基板１８と放熱体１７とが金属間化合物層１９を介して積層接合される。
【００４０】
その後、積層接合された放熱体１７及び絶縁回路基板１８において、絶縁回路基板１８の回路層１５上面に半導体チップ１３を載置保持した状態で３６０℃以上で加熱して、Ｐｂ−５Ｓｎによりはんだ接合し、パワーモジュール１０が形成される。
【００４１】
以上説明したように、本第一実施形態によるパワーモジュール１０によれば、放熱体１７の本体部２１と低熱膨張材２２とが、及び放熱体１７と絶縁回路基板１８とがそれぞれ、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合層１９により接合された構成となっているので、このパワーモジュール１０に高い接合信頼性を具備させることができる。すなわち、パワーモジュール１０において、放熱体１７と絶縁回路基板１８，及び放熱体本体部２１と低熱膨張材２２の各接合が金属間化合層１９を介してなされているので、これら各接合部の熱による劣化の発生等を抑制することができる。ここで、半導体チップ１３と絶縁回路基板１８との接合部であるはんだ層２０は、一般に、Ｐｂ−５Ｓｎ等の比較的高い接合温度を要するはんだでなされるので、熱による劣化等は生じ難いようになっている。
以上により、半導体チップ１３の発熱によりこのパワーモジュール１０が加熱等されて使用される場合においても、前記各接合部の熱による劣化発生等が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を有するパワーモジュール１０を提供することができる。
【００４２】
また、金属間化合物層１９は、一般のはんだ層と比べると高強度となるので、この層１９の破断強度の向上，すなわち接合強度の向上を図ることができるが、その反面、この金属間化合物層１９の熱膨張係数が，この層１９により接合される部材（金属層１６，放熱体本体部２１，低熱膨張材２２）の熱膨張係数と異なっている構成において、これを温度サイクル下で使用すると、高強度の金属間化合物層１９が前記各部材１６，２１，２２の熱変形を拘束し、これらの接合部が破損することが考えられる。
【００４３】
しかしながら、本実施形態においては、金属間化合物層１９により接合される部材の少なくとも一方は、変形抵抗の小さい純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成されているので、パワーモジュール１０が温度サイクル下で使用される場合においても、放熱体本体部２１及び金属層１６の各表面において、金属間化合物層１９との接合部では熱による膨張，収縮変形が金属間化合物層１９により拘束されるが、この接合部以外では金属間化合物層１９により略拘束されずに膨張，収縮変形することになる。従って、パワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、金属間化合物層１９と前記各部材１６，２１，２２との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性を確実に実現することができる。
【００４４】
さらに、放熱体１７は低熱膨張材２２を備えているので、放熱体１７の熱膨張係数を可及的に小さくし、絶縁回路基板１８側の熱膨張係数に近づけることができる。従って、このパワーモジュール１０が温度サイクル下で使用された場合においても、絶縁回路基板１８及び放熱体１７に反りが発生することを抑制することができる。これにより、金属間化合物層１９と前記接合された部材１６，２１，２２との各接合界面に作用する負荷がより確実に抑制されるので、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性をより確実に実現することができる。
【００４５】
また、低熱膨張材２２の厚さＡは、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成されているため、放熱体１７自体の熱伝導率を低下させることなく、熱膨張係数の低下を図ることができる。
すなわち、低熱膨張材２２の厚さＡを、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以下で形成すると、放熱体１７自体の熱伝導率の低下を抑制することはできるが、放熱体１７自体の熱膨張係数に寄与する低熱膨張材２２の影響が小さくなり、放熱体１７自体の熱膨張係数が、高熱膨張材である放熱体本体部２１のものと略同一となる。また、低熱膨張材２２の厚さＡを、放熱体本体部２１の厚さＢの１．３倍以上で形成すると、放熱体１７自体の熱膨張係数の低下を図ることができるが、放熱体１７自体の熱伝導率が低下することになる。
以上により、低熱膨張材２２の厚さＡを放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成することにより、放熱体１７の熱膨張係数の低下，すなわち放熱体１７の反り発生抑制と、放熱体１７の熱伝導率の低下抑制とを両立させることができる。従って、金属間化合物層１９と前記接合された部材１６，２１，２２との接合界面に作用する負荷がより確実に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性をより確実に実現することができる。
【００４６】
また、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２との接合、及び絶縁回路基板１８と放熱体１７との接合に際し、予め各接合面にリンＰ濃度が１２重量％濃度以上のＮｉめっき層を厚さ４．０μｍ以上で形成しておくので、前記各接合面側に良好なはんだの濡れ性を付与することができるとともに、前記Ｓｎ系材料層を確実にＮｉ及びＳｎを主成分として含有する金属間化合物層１９とすることができる。特に、本実施形態においては、Ｓｎ系材料層をＳｎの含有率が８０％以上のＳｎ―３．５Ａｇにより形成したので、前記良好なはんだの濡れ性，及び金属間化合物層１９の形成をより確実に実現することができ、前記各部材１６，２１，２２の接合不良発生を確実に抑制することができる。また、加圧加熱工程は前記圧力，温度，及び時間で行うので、Ｓｎ系材料層の全てを確実にＳｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることができる。
【００４７】
さらに、半導体チップ１３を絶縁回路基板１８に接合するに際し予め、放熱体本体部１７と低熱膨張材２２とを、及び絶縁回路基板１８と放熱体１７とをそれぞれ、金属間化合物層１９を介して接合するので、形成されたパワーモジュール１０を構成する各接合部の接合強度の低下発生を抑制することができる。
【００４８】
すなわち、半導体チップ１３と絶縁回路基板１８との接合は、Ｐｂ−５Ｓｎ等の比較的高い接合温度を要するはんだでなされるので、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを、及び前記基板１８と放熱体１７とをそれぞれ、金属間化合物層１９の替わりにはんだ層またはろう材層を介して接合した後に、半導体チップ１３の前記はんだ接合を行うと、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２、及び前記基板１８と放熱体１７の各接合部は、熱劣化，組織の粗大化等が発生する場合がある。しかしながら、これらの各接合部は金属間化合物層１９とされているので、半導体チップ１３接合時の高温加熱による熱劣化，組織の粗大化等の発生を抑制することができる。従って、このパワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、前記各接合部の接合信頼性が低下することを回避することができる。
特に、本実施形態においては、Ｓｎ系材料層の全ての部位を金属間化合物化しているので、前記各接合部の接合信頼性の向上を確実に図ることができる。
【００４９】
次に、本発明の第二実施形態について説明するが、前述の第一実施形態と同様の部位には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本第二実施形態によるパワーモジュールにおいては、図２，図３に示すように、低熱膨張材２２にこれを貫通する孔４１が複数穿設されている。これらの孔４１には、放熱体本体部２１と同一材質でかつ低熱膨張材２２の厚さと略同一厚さの平板４２が嵌合され，又は粉末材料４２が低熱膨張材２２の厚さ分だけ充密され、この低熱膨張材２２の上下面に平板状の放熱体本体部２１が金属間化合物層１９を介して積層接合された構成となっている。
【００５０】
換言すれば、低熱膨張材２２表裏面に放熱体本体部２１が積層して設けられ、これら放熱体本体部２１は、孔４１に設けられた平板又は粉末材料４２を介して連通した構成となっている。すなわち、この孔４１は、放熱体１７に低熱膨張材２２を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。また、孔４１は、図３に示すように、低熱膨張材２２において、絶縁回路基板１８と対応する領域Ｘには孔４１の穿設される数を少なくするとともに、前記対応領域Ｘの周辺領域Ｙには孔４１の穿設される数を多くしている。
【００５１】
つまり、低熱膨張材２２において絶縁回路基板１８との対応領域Ｘと、これを除く周辺領域Ｙとでは、孔４１の断面積の分布が異なった構成となっている。これは、対応領域Ｘにおける放熱体１７の曲げに対する剛性低下と、放熱体１７全体の熱伝導率の低下とを最小限に抑制するためのものである。ここで、低熱膨張材２２に穿設される孔４１の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材２２の表面積に対し、絶縁回路基板１８，放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の材質等に基づき、およそ３０％以上７０％以下の割合の面積で孔４１が形成される。このうち、前記対応領域Ｘにおいては、４０％以上７０％以下の割合で、前記周辺領域Ｙにおいては、３０％以上５０％以下の割合の面積で孔４１が形成される。なお、孔４１は、本実施形態では丸孔を示したが、その形状は任意である。
【００５２】
以上のように構成された本第二実施形態による放熱体の製造方法について説明する。
まず、低熱膨張材２２の表面にこれを貫通する孔４１を穿設する。その後、この孔４１に、放熱体本体部２１と同一材質の平板４２を嵌合，または粉末材料４２を充密する。この際、低熱膨張材２２の表面が面一になるように前記嵌合または充密を行う。以降、前記第一実施形態による放熱体の製造方法と同様にして、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２にＮｉめっき層形成，Ｓｎ系材料層形成を順じ施し、その後、これらを加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層を全て金属間化合物層１９にし、これら各部材２１，２２を接合して放熱体１７を形成する。さらに、前記第一実施形態と同様にして、放熱体１７と絶縁回路基板１８と接合し、パワーモジュール１０が形成される。
【００５３】
以上説明したように、本第二実施形態による放熱体によれば、低熱膨張材２２に複数の孔４１が設けられ、これらの孔４１は平板又は粉末材料４２により孔埋めされているので、いわゆる高熱膨張材が放熱体１７の積層方向に連通した構成を実現することができ、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１から冷却シンク部３１側の放熱体本体部２１への熱伝導を良好に行うことができるので、放熱体１７本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００５４】
しかも孔４１は、図３に示すように、絶縁回路基板１８との対応領域Ｘでは、その周辺領域Ｙより少ない個数で穿設され、孔４１の占有面積が周辺領域Ｙでのそれより少なくした構成となっているので、放熱体１７の対応領域Ｘにおける曲げに対する剛性低下を最小限に抑制することができる一方、周辺領域Ｙにおける孔４１の占有面積が対応領域Ａより大きくなることで、放熱体１７全体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。
さらに、孔４１は、低熱膨張材２２にこの表面積の３０％以上７０％以下を占有するように形成されているので、低熱膨張材２２の曲げ剛性の低下を確実に抑制することができるとともに、絶縁回路基板１８からの熱を放熱体１７の積層方向に確実に伝導することができる。
【００５５】
以上により、半導体チップ１３の発熱は、放熱体１７の厚さ方向に良好に伝導し放熱されるので、パワーモジュール１０自体が高温になることを確実に回避できるとともに、放熱体１７の曲げに対する剛性低下を最小限に抑制できる。従って、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２，及び絶縁回路基板１８と放熱体１７の各接合部に作用する負荷を確実に低減することができ、さらに、これらの各接合は金属間化合物層１９によりなされているので、前記各接合部の接合信頼性の向上を確実に図ることができる。
【００５６】
なお、前述の第一，第二実施形態では、放熱体本体部２１に積層された低熱膨張材２２として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金を用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
さらに、放熱体１７下面に冷却シンク部３１を設けた構成を示したが、この構成に限らず、コルゲートフィンを設けた構成としてもよい。すなわち、放熱体１７表面にろう材を介して接合された接合部と、接合部の一端に設けられ接合部と直交して立上がる立上がり部と、立上がり部の上端に設けられ接合部に平行且つ離間する方向に延びる平坦部と、平坦部の一端に設けられ平坦部に直交且つ放熱体１７に向かって折返る折返し部とを備えた突出部を、放熱体１７の沿面方向に沿って繰返し連続して設けた構成としてもよい。なお、この構成においては、立上がり部と平坦部と折返し部と放熱体１７表面とが空間を形成することになる。
【００５７】
また、前記第二実施形態においては、孔４１に、放熱体本体部２１と同一材質からなる平板又は粉末材料４２を配設し孔埋めをした構成を示したが、放熱体本体部２１と平板又は粉末材料４２とが互いに異種材質からなる構成であっても、特に、放熱体本体部２１を純Ａｌ又はＡｌ合金とし，平板又は粉末材料４２を純Ｃｕ又はＣｕ合金とした構成であってもよい。この場合は、放熱体本体部２１と平板又は粉末材料４２とを互いに異種材料としたときの不具合の発生を最小限に抑制することができるからである。
【００５８】
さらに、前記第一，第二実施形態においては、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを接合するに際して、これらの各接合面にＮｉめっき層を形成したが、放熱体本体部２１を純ＣｕまたはＣｕ合金で形成した場合には、放熱体本体部２１の接合面にＮｉめっき層を形成しなくてもよい。純Ｃｕ及びＣｕ合金は、必要十分なはんだの濡れ性を確保することができるからである。
【００５９】
さらにまた、Ｓｎ系材料層の形成をいわゆる印刷法を適用して形成することで、高効率生産を実現することもでき、また、電解めっき処理を施すことによりＳｎ系材料層を形成してもよい。
また、放熱体１７を低熱膨張材２２を上下面から挟んで放熱体本体部２１を積層した３層構造を示したが、この構成に限らず、低熱膨張材２２を有さない構成でもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュール及び放熱体並びにパワーモジュールの製造方法及び放熱体の製造方法によれば、接合部の高強度化を図ることができるとともに、パワーモジュール及び放熱体が温度サイクル下におかれた場合でも、接合部としての金属間化合物層に作用する負荷を最小限に抑制することができるので、この接合部に高い接合信頼性を具備させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】この発明の第二実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図３】図２に示す低熱膨張材の平面図である。
【符号の説明】
１０  パワーモジュール
１３  半導体チップ
１４  絶縁基板
１５  回路層
１６  金属層
１７  放熱体
１８  絶縁回路基板
１９  金属間化合物層
２１  放熱体本体部
２２  低熱膨張材
４１  孔
４２  平板または粉末材料（孔埋め材）
Ａ  低熱膨張材の厚さ
Ｂ  放熱体本体部の厚さ
Ｘ  絶縁回路基板（被放熱体）と対応する領域
Ｙ  周辺領域
【図１】
2004296493.tif 000003
【図２】
2004296493.tif 000004
【図３】
2004296493.tif 000005