(57)【要約】【課題】絶縁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抑制することができると共に、熱伝導率が低下することを抑制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。【解決手段】絶縁基板１１と、絶縁基板１１の一方の面側に設けられた放熱体１６とを備えたパワーモジュール用基板１０であって、放熱体１６は、放熱体本体１７と、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８と、放熱体本体１７に設けられたフィン１９とを備え、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体よりなり、フィン１９は、放熱体１６の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低い一の端部Ｃ，Ｄ間方向に位置させて配置されている。【選択図】  図４
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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側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材と、前記放熱体本体に設けられたフィンとを備え、
前記放熱体本体と前記フィンとは一体成形された鋳造体よりなり、
前記低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられ、かつ該連絡開口部を介して前記放熱体本体に鋳ぐまれる構成とした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に記載のパワーモジュール用基板において、
前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする放熱体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板において、
前記フィンは、前記放熱体本体の板面に沿う方向において、前記放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されてい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から３のいずれかに記載のパワーモジュール用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、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）の一方の面側に回路層を、他方の面側に高熱伝導材である純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱体を各々備え、この放熱体の絶縁基板形成面と対向する面に、冷却液等の冷却手段を備えた冷却シンク部を備えた構成のもの又は，フィンを備えた構成のものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。ここで、半導体装置としてのパワーモジュールにおいては、一般に、回路層上に半導体チップが搭載されており、この半導体チップからの発熱は、絶縁基板，放熱体及び，冷却シンク部又はフィンを介してパワーモジュールの外部へ放熱される構成となっている。
【０００３】
ここで、絶縁基板（セラミックス基板）の前記他方の面上には、金属薄板が直接積層されており、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介して、前記放熱体が積層接合されている。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って、絶縁基板が前記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応力緩和層をなしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−３３５６５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来では、パワーモジュール用基板に設けられた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こと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、そのため、放熱体の放熱効果低下を招いていた。
【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抑制することができると共に、熱伝導率が低下することを抑制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】
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、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材と、前記放熱体本体に設けられたフィンとを備え、前記放熱体本体と前記フィンとは一体成形された鋳造体よりなり、前記低熱膨張材は一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられ、かつ該連絡開口部を介して前記放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする。
【０００９】
これらの発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体に低熱膨張材が設けられているとともに、低熱膨張材に前記連絡開口部を設け、この連絡開口部を介して放熱体本体を充填し、低熱膨張材が放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたので、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることになるとともに、熱伝導率の低下を確実に抑制することになる。また、放熱体はフィンを備えているため、放熱体全体の放熱効果を向上させることになり、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を容易に形成できることになる。従って、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合でも、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生することを確実に抑制することになるとともに、パワーモジュール用基板全体としての熱伝導率が低下することも抑制することになり、これらの作用を奏するパワーモジュール用基板を確実に形成できることになる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板において、前記フィンは、前記放熱体本体の板面に沿う方向において、前記放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、フィンは、放熱体本体の板面に沿う方向において、放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されているので、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に、絶縁基板へ向かう反りを発生させる力が作用して、放熱体の前記一の端部間方向に曲げが発生することを抑制することになる。すなわち、フィンが、放熱体の前記一の端部間方向に発生する曲げに対して抗することになる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
【００１３】
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。
【００１４】
【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形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュールＰ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１６とを備える。
【００１５】
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、その上面に回路層１２が，下面に金属層１３が各々積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ等により形成されている。
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、絶縁基板１１の下面側，すなわち金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、放熱体１６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Ｐが構成されている。
【００１６】
ここで、放熱体１６は、放熱体本体１７と、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８と、放熱体本体１７の下面に突出して設けられたフィン１９とを備え、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体より形成されている。これら放熱体本体１７とフィン１９とは、例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金等，好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金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。
【００１７】
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７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、後述するように放熱体本体１７の内部に埋設することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけさせるためのものであり、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５×１０−６／℃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。
【００１８】
このような材質からなる低熱膨張材１８は、図２，図３に示すように、低熱膨張材１８が、絶縁基板１１側の放熱体本体１７と接合される一方の面と、フィン１９側の放熱体本体１７と接合される他方の面とに亘る厚み方向に連絡すると共に、該厚み方向と交差方向で互いに連なる開口空間部４０を有して設けられ、かつ該開口空間部４０に放熱体本体１７が充填されることで、図２に示すように、放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成となっている。
【００１９】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図３に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１，４２を前記厚み方向に沿って組付けることで連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。ここで、連絡開口部４０は、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄと、斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂとで形成された空間となっている。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けられると共に、連絡開口部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成される。
【００２０】
このように形成された低熱膨張材１８は、放熱体１６の形成時、放熱体本体１７の材料が注入されると、その材料が連絡開口部４０内に側方から充填される。そして、この低熱膨張材１８は、側面から見たとき、図２に示すように、絶縁基板１１側である上層の放熱体本体１７と、フィン１９が形成されている下層の放熱体本体１７との間に埋設されることになる。
【００２１】
ここで、低熱膨張材１８は前述したように構成されているため、図３において、低熱膨張材１８の周縁部における対向する端部Ａ，Ｂ、Ｃ，Ｄ間の低熱膨張材１８の曲げ剛性が、他の端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低い一の端部Ｃ，Ｄ間を有する，すなわち異方性を有することになる。
【００２２】
具体的に述べると、図３において、低熱膨張材１８（放熱体１６）の端部Ａ，Ｂを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄには面外変形させようとする力が作用することになり、比較的容易に曲がることになるが、斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには若干の面外変形させようとする力が作用するものの、主に面内変形させようとする力が作用することになり、この斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂが前記曲げに対してはリブとして作用することになり前記曲げに対する剛性を高める構成となっている。
これに対し、低熱膨張材１８（放熱体１６）の端部Ｃ，Ｄを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄ及び斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには共に、面外変形させようとする力が主に作用することになる。
【００２３】
以上により、図３に示す低熱膨張材１８（放熱体１６）においては、端部Ａ，Ｂを把持してこれを曲げたときの剛性より、端部Ｃ，Ｄを把持したときの曲げ剛性の方が低いことになる。
このように構成された低熱膨張材１８を有する放熱体１６に、図４に示すように、フィン１９が、放熱体本体１７の板面に沿った方向において、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応した方向に連続して設けられると共に、端部Ａ，Ｂ間方向と対応した方向に所定の間隙を有し複数列設けられている。
【００２４】
以上説明したように本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、放熱体１６に低熱膨張材１８が設けられているとともに、低熱膨張材１８に連絡開口部４０が設けられ、この連絡開口部４０を介して放熱体本体１７を充填し、低熱膨張材１８が放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成としたので、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるとともに、絶縁基板１１側の上層の放熱体本体１７とフィン１９が設けられている下層の放熱体本体１７とを完全に分離することを回避可能な構成を実現でき、パワーモジュール用基板１０全体としての熱伝導率の低下を確実に抑制することができる。
【００２５】
また、放熱体１６はフィン１９を備えているため、放熱体１６全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体１６を備えたパワーモジュール用基板１０を容易に形成することができる。従って、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ等によって接合した場合でも、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生することを確実に抑制することができるとともに、パワーモジュール用基板１０全体としての熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体１６を容易に形成することができる。
【００２６】
ここで、低熱膨張材１８は前述したように、放熱体本体１７に鋳ぐるみ易い前述した構成であるため前記効果を奏することができる反面、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間の曲げ剛性が、端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低くなり、結果これを有する放熱体１６においても同様に曲げ剛性についての異方性を有することになる。しかし、フィン１９を放熱体本体１７の板面に沿った方向において、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応させた方向に連続して設けると共に、端部Ａ，Ｂ間方向と対応させた方向に所定の間隙を有し複数列設けた構成としたので、放熱体１６全体としての曲げ剛性の低下を確実に抑制することができる。
【００２７】
すなわち、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ等によって接合した際、放熱体１６が絶縁基板１１に向かう反りを発生させる力が作用し、この際、放熱体１６においては、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応した方向に曲げが発生し易いことになるが、前述のようにフィン１９を放熱体本体１７に設けることにより、このフィン１９が前記曲げ発生に対して抗することができる。これにより、放熱体１６の反り発生抑制を確実に実現することができる。
【００２８】
さらにまた、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２，絶縁基板１１，金属層１３，はんだ１５及び放熱体１６を介して外部に良好に放熱されることになる。すなわち、パワーモジュールＰ全体としての熱伝導率が低下することを抑制することができ、パワーモジュールＰ全体としての温度上昇を抑制することができる。この結果、絶縁基板１１と放熱体１６との熱膨張係数に差があっても、放熱体１６の温度上昇を抑制することができるため、放熱体１６の反り発生抑制効果を備えた，良好なパワーモジュールＰを得ることができる。
【００２９】
なお、前述の実施形態では、放熱体本体１７に積層された低熱膨張材１８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。
また、放熱体１６が取り付けられる絶縁基板１１として、放熱体１６側の面に金属層１３が設けられた例を示したが、金属層１３を設けず絶縁基板１１をはんだ１５を介して放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
さらに、前述した低熱膨張材１８に替えて、いわゆるコルゲートルーバ，前述した斜面壁のみにより断面矩形に形成された連絡開口部４０を有するエキスパンド構造，若しくは前記実施形態のいわゆる，ハニカム構造を一層設けたもの，又は前記構造のうちの一つを複数積層させた構成としてもよい。
【００３０】
【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用基板によれば、放熱体本体に低熱膨張材が鋳ぐまれる構成としたので、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるとともに、パワーモジュール用基板全体としての熱伝導率の低下を確実に抑制することができる。
また、放熱体はフィンを備えているため、パワーモジュール用基板全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を備えたパワーモジュール用基板を容易に形成することができる。
【００３１】
また、低熱膨張材を放熱体本体に鋳ぐるみ易い構成としたために、放熱体が曲げ剛性に対して異方性を有した場合でも、フィンが放熱体本体の板面に沿った方向に対して、前記一の端部間方向に位置させて配置されているので、放熱体の前記一の端部間方向に発生する曲げを抑制することができる。
【００３２】
本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。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの拡大断面側面図である。
【図３】図１，図２に示す低熱膨張材の要部を示す拡大斜視図である。
【図４】図１に示す低熱膨張材の曲げ剛性に対する異方性と、フィンの配設位置との関係を説明図である。
【符号の説明】
Ｐ  パワーモジュール
１０  パワーモジュール用基板
１１  絶縁基板
１６  放熱体
１７  放熱体本体（高熱伝導材）
１８  低熱膨張材
１９  フィン
３０  半導体チップ（チップ）
４０  連絡開口部
４１，４２  板状体
４３  連鎖状体
Ａ，Ｂ  低熱膨張材（放熱体）の他の端部
Ｃ，Ｄ  低熱膨張材の（放熱体）の一の端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004172457.tif 000006