(57)【要約】【課題】被放熱体と間で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ことも抑制することができる放熱体及びこの放熱体を有するパワーモジュール用基板を提供すること。【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、枠体１７ａ及び鋳造体１７ｂを備える放熱体本体１７と，鋳造体１７ｂの熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備え、低熱膨張材１８は、枠体１７ａ同士の間にこれら各枠体１７ａと積層して設けられ，かつ少なくとも各枠体１７ａの内側に位置した表面に鋳造体１７ｂが積層して設けられている。【選択図】  図１
2004356303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と，前記鋳造体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、
前記低熱膨張材は、前記枠体同士の間にこれら各枠体と積層して設けられ，かつ少なくとも前記各枠体の内側に位置した表面に前記鋳造体が積層して設けら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、
前記枠体は、表面に複数の開口部を備えた格子状に形成され、
前記低熱膨張材は、前記枠体同士の間にこれら各枠体と積層して設けられ，かつ少なくとも前記各枠体の前記開口部に位置した表面に前記鋳造体が積層して設けられていることを特徴とする放熱体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放熱体において、
前記各枠体の厚さは、放熱体側の熱膨張係数と被放熱体側の熱膨張係数との差に基づき、各別に異ならせて形成されていることを特徴とする放熱体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の放熱体において、
前記各枠体の厚さは、放熱体において、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より小さいとき、被放熱体側の枠体の厚さを放熱体側の枠体の厚さより厚く形成する一方、
被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より大きいとき、被放熱体側の枠体の厚さを放熱体側の枠体の厚さより薄く形成することを特徴とする放熱体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに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るとともに、該孔を介して前記鋳造体に鋳包まれた構成とされたことを特徴とする放熱体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の放熱体において、
前記低熱膨張材は、リブを有していることを特徴とする放熱体。
【請求項７】
被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と，前記鋳造体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、かつ前記枠体同士の間に前記連絡開口部を介して前記鋳造体により鋳包まれて配設されていることを特徴とする放熱体。
【請求項８】
請求項７記載の放熱体において、
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９】
請求項１から８のいずれかに記載の放熱体において、
前記枠体は、前記鋳造体より剛性が高いことを特徴とする放熱体。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の放熱体に絶縁基板が設けられたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項１１】
被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、
前記放熱体は、枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と、前記鋳造体の熱膨張係数より低い材質からなり，かつ前記放熱体本体内部に配設された低熱膨張材とを備え、
前記低熱膨張材を前記放熱体本体内部に配設するに際し、
前記枠体同士の間に、前記低熱膨張材を配した後、前記各枠体により前記低熱膨張材を狭持した状態で、少なくとも前記枠体の内側に位置する前記低熱膨張材に溶湯を注入し前記鋳造体を形成することを特徴とする放熱体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の放熱体の製造方法において、
前記鋳造体を形成した後、前記枠体，及び前記低熱膨張材の前記枠体による狭持部を除去することを特徴とする放熱体の製造方法。
【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パワーモジュール用基板並びに放熱体及び放熱体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝導されることから、この熱を放熱する必要がある。
このようなパワーモジュール用基板は、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）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って、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応力緩和層をなす構成であり、これにより、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できて、放熱体が良好な放熱作用を有することもできるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報
【０００４】
【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、そのため、放熱体の放熱効果が悪くなっていた。
【０００５】
一般に、放熱体は、絶縁基板との間で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止するために、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。この場合、熱膨張係数の低い方（絶縁基板）に合わせることになるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な放熱効果との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【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、被放熱体としての絶縁基板と間で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ことも抑制することができる放熱体及びこの放熱体を有するパワーモジュール用基板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、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と，前記鋳造体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、前記低熱膨張材は、前記枠体同士の間にこれら各枠体と積層して設けられ，かつ少なくとも前記各枠体の内側に位置した表面に前記鋳造体が積層して設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体内部に低熱膨張材が配設された構成となるので、放熱体の熱膨張係数が可及的に小さくなり、また、放熱体本体が枠体を備えているので、放熱体の剛性が向上することになる。従って、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することが抑制されることになる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の放熱体において、前記枠体は、表面に複数の開口部を備えた格子状に形成され、前記低熱膨張材は、前記枠体同士の間にこれら各枠体と積層して設けられ，かつ少なくとも前記各枠体の前記開口部に位置した表面に前記鋳造体が積層して設けられた構成とされたことを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体表面に複数の被放熱体を接合する構成において、放熱体表面のうち被放熱体との接合部を，枠体の開口部の配設位置と対応する領域とした場合、この接合部を除く領域に枠体を構成する枠材が配設されることになる。従って、放熱体表面のうち前記接合部同士の間に設けられた前記枠材が、放熱体に発生する反りに対してリブとして作用することになり、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することが確実に抑制されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の放熱体において、前記各枠体の厚さは、放熱体側の熱膨張係数と被放熱体側の熱膨張係数との差に基づき、各別に異ならせて形成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、各枠体の厚さが、放熱体側の熱膨張係数と被放熱体側の熱膨張係数との差に基づき、各別に異ならせて形成されているので、形成された放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、鋳造体を形成する際に放熱体に生ずるように、各枠体の厚さを各別に異ならせる設定を容易になすことができるようになる。
【００１３】
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放熱体において、前記各枠体の厚さは、放熱体において、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より小さいとき、被放熱体側の枠体の厚さを放熱体側の枠体の厚さより厚く形成する一方、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より大きいとき、被放熱体側の枠体の厚さを放熱体側の枠体の厚さより薄く形成することを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、各枠体の厚さが前述のように設定されているので、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれかに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るとともに、該孔を介して前記鋳造体に鋳包まれた構成とされたことを特徴とする。
【００１６】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材は貫通孔を備え、かつこの貫通孔を介して鋳造体に鋳包まれているので、鋳造体を放熱体の厚さ方向に連続した構成を実現することができ、放熱体内部に低熱膨張材が配設された構成においても、放熱体の熱伝導率が低下することを抑制することになる。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を実現できることになる。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、リブを有していることを特徴とする。
【００１８】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材がリブを有しているので、放熱体全体の剛性が向上し、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することを一層確実に抑制することになる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、前記放熱体は、枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と，前記鋳造体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、かつ前記枠体同士の間に前記連絡開口部を介して前記鋳造体により鋳包まれて配設されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体が低熱膨張材を備え、低熱膨張材に前記連絡開口部が設けられ、この連絡開口部を介して低熱膨張材が鋳造体に鋳包まれた構成となっているので、放熱体全体としての熱膨張係数の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができるようになる。従って、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に被放熱体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、放熱体自体の熱伝導率が低下することも抑制することができる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の放熱体において、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。
【００２２】
この発明に係る放熱体によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて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ともに、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したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項１から８のいずれかに記載の放熱体において、前記枠体は、前記鋳造体より剛性が高いことを特徴とする。
【００２４】
この発明に係る放熱体によれば、枠体は鋳造体より剛性が高いため、放熱体と被放熱体とをはんだ等で接合した際に、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することが確実に抑制される。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、請求項１から９のいずれかに記載の放熱体に絶縁基板が設けられたことを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に係る発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、前記放熱体は、枠体及び鋳造体を少なくとも備えた放熱体本体と、前記鋳造体の熱膨張係数より低い材質からなり，かつ前記放熱体本体内部に配設された低熱膨張材とを備え、前記低熱膨張材を前記放熱体本体内部に配設するに際し、前記枠体同士の間に、前記低熱膨張材を配した後、前記各枠体により前記低熱膨張材を狭持した状態で、少なくとも前記枠体の内側に位置する前記低熱膨張材に溶湯を注入し前記鋳造体を形成す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によれば、低熱膨張材を放熱体本体内部に配設する際に、この低熱膨張材を枠体同士の間に配した後、これら各枠体により低熱膨張材を狭持した状態で低熱膨張材に溶湯を注入するため、放熱体の厚み方向及び沿面方向に対する低熱膨張材の配設位置が高精度に位置決めされる。すなわち、低熱膨張材に溶湯を注入する際に、低熱膨張材に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材の放熱体に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材は枠体により狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材の前記配設位置のずれ発生が抑制されることになる。これにより、放熱体自体の熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させて形成することができ、量産品質を確保できるようになる。さらに併せて、低熱膨張材の前記位置ずれに起因した、低熱膨張材の放熱体表面への露出も抑制されるため、被放熱体が載置される放熱体表面が平滑面となり、被放熱体と放熱体とを良好に密着させることができ、被放熱体の熱を放熱体に良好に伝導できるようになる。
【００２８】
請求項１２に係る発明は、請求項１１記載の放熱体の製造方法において、前記鋳造体を形成した後、前記枠体，及び前記低熱膨張材の前記枠体による狭持部を除去することを特徴とする。
【００２９】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、前記鋳造体を形成した後、枠体，及び低熱膨張材の前記枠体による狭持部を除去するため、形成される放熱体をコンパクトにすることができるようになる。
【００３０】
【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を適用した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。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、絶縁基板１１の上面に回路層１２が，下面に金属層１３がそれぞれ積層接合されている。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，Ｃｕ合金等により形成され、はんだ付け又はろう付け等により絶縁基板１１の上下面に積層接合されている。
【００３１】
絶縁基板１１上面に設けられた回路層１２上面に、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下面に設けられた金属層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、更に、この放熱体１６下面に冷却シンク部３１が設けられている。このように構成されたパワーモジュールにおいては、絶縁基板１１側から放熱体１６に伝導された熱が、冷却シンク部３１内の冷却液（或いは冷却空気）３２により外部に放熱される構成となっている。なお、放熱体１６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付けられている。
【００３２】
ここで、放熱体１６は、一対の枠体１７ａ及び鋳造体１７ｂを備えた放熱体本体１７と，鋳造体１７ｂの熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備えている。
枠体１７ａは、ステンレス鋼（例えば，ＳＵＳ３０４等）や一般構造用鋼材（例えば，炭素鋼鋼材等）等の縦弾性係数が１３０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の材質からなり、鋳造体１７ｂは、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，又はＣｕ合金から形成されている。なお、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，及びＣｕ合金の縦弾性係数は６０ＭＰａ以上１３０ＭＰａ以下であり、枠体１７ａは鋳造体１７ｂより剛性が高い材質により形成されている。
【００３３】
枠体１７ａは、図２に示すように、５個の枠材５０ａ〜５０ｅにより形成されている。すなわち、枠材５０ａ〜５０ｄにより四角形状に形成され、その内側には枠材５０ａ〜５０ｄに囲まれて形成された開口部５１を備え、かつ一の互いに相対する枠材５０ｂ，５０ｄの長手方向中央部には，他の互いに相対する枠材５０ａ，５０ｃと平行するように枠材５０ｅが配設され、これにより、開口部５１が２等分に分割された構成となっている。また、枠体１７ａの周縁部には４つの貫通孔５２が穿設されており、図１に示すように、この貫通孔５２に取付けねじ３３が嵌挿されるとともに、この取付けねじ３３を冷却シンク部３１に締結することにより、枠体１７ａを冷却シンク部３１表面に保持可能とする構成となっている。以上のように構成された各枠体１７ａは、これらの開口面に沿った方向に対する開口部５１及び枠材５０ｅの配設位置が各々略一致するように低熱膨張材１８を介して積層して設けられている。また、枠体１７ａの前記分割された開口部５１内に鋳造体１７ｂが充密して配設され、これら鋳造体１７ｂの各表面に絶縁基板１１が配設されている。従って、絶縁基板１１が配設される放熱体１６表面のうち、これら絶縁基板１１の配設位置を回避するように枠材５０ａ〜５０ｅが設けられた構成となっている。
ここで、前述したような材質で構成されたパワーモジュールにおいては、絶縁基板１１側の熱膨張係数が放熱体１６側の熱膨張係数より小さくなっており、この場合、絶縁基板１１側の枠体１７ａの厚さが冷却シンク部３１側の枠体１７ａの厚さより厚く形成されている。
【００３４】
一方、低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設され、これら孔１９は、図２に示すように、枠体１７ａと低熱膨張材１８とが積層した構成において、枠体１７ａの前記分割された開口部５１の，低熱膨張材１８表面に沿った方向に対する配設位置に選択的に穿設され、低熱膨張材１８はこれら孔１９を介して鋳造体１７ｂに鋳包まれている。これにより、放熱体本体１７内部に低熱膨張材１８を設けることによる放熱体１６の熱伝導率の低下が最小限に抑制される構成となっている。ここで、低熱膨張材１８に穿設される孔１９の数が徒らに増えると、放熱体１６全体に占める低熱膨張材としての寄与が小さくなり、その機能を果たし難くなることから、低熱膨張材１８の表面積に対し、絶縁基板１１，鋳造体１７ｂ及び低熱膨張材１８の材質等に基づき、およそ３０％以上６０％以下の割合の面積で孔１９が形成されることが好ましい。
【００３５】
ここで、鋳造体１７ｂは、前述したように、純Ａｌ若しくはＡｌ合金，好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金、又は純Ｃｕ若しくはＣｕ合金，好ましくは純度９９．９％以上の高純度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。
一方、低熱膨張材１８は、前述したように鋳造体１７ｂの熱膨張係数より低い材質からなっており、鋳造体１７ｂに鋳包む，すなわち放熱体本体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が可及的に近づく構成となっている。この低熱膨張材１８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。
【００３６】
以上のように構成された放熱体１６を形成する製造方法について説明する。
まず、枠体１７ａ同士の間に低熱膨張材１８を配し、各枠体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持し積層体を形成する。この際、各枠体１７ａの前記分割された開口部５１と、低熱膨張材１８の孔１９とは、前記積層体の沿面方向に対する配設位置が略一致している。次に、この状態で枠体１７ａの開口部５１に溶湯を注入し、この溶湯を開口部５１に充密させる。この際、低熱膨張材１８の孔１９内にも溶湯が充密され、溶湯が低熱膨張材１８の厚さ方向に連通することになる。その後、この溶湯を冷却硬化することで、鋳造体１７ｂが形成される。すなわち、枠体１７ａの開口部５１内に充密するとともに，放熱体１６の厚さ方向に連続し、低熱膨張材１８を孔１９を介して鋳包んだ鋳造体１７ｂが形成され、放熱体１６が形成される。
【００３７】
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用基板１０によれば、放熱体１６が、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を備えているので、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、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。このため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合した際、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。従って、放熱体１６を冷却シンク部３１に取り付けた構成においても、冷却シンク部３１と放熱体１６との間に間隙が発生することを防止することができ、放熱体１６から冷却シンク部３１へ高効率に熱を伝導することができる。
【００３８】
しかも、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，放熱体１６及び冷却シンク部３１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パワーモジュール用基板１０を得ることができる。
【００３９】
また、低熱膨張材１８に孔１９が設けられ、この孔１９を介して低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包ませた構成となっているので、絶縁基板１１側の放熱体１６から冷却シンク部３１側の放熱体１６への熱伝導を良好に行うことができ、これによって、放熱体１６本来の放熱効果を的確に果たすことができる。また、孔１９は、枠体１７ａと低熱膨張材１８とが積層した構成において、低熱膨張材１８表面に、枠体１７ａの前記分割された開口部５１の配設位置と対応した位置に選択的に穿設されているので、放熱体１６全体に占める低熱膨張材としての寄与の低下を最小限に抑制でき、放熱体１６の熱膨張係数を確実に低下することができる。
【００４０】
また、放熱体１６は、鋳造体１７ｂより剛性が高い枠体１７ａを備えているので、放熱体１６の剛性を可及的に向上させることができ、前述した放熱体１６の反り発生をより確実に抑制することができる。なお、本実施形態においては、二つの絶縁基板１１を配設できるように、枠材５０ｂ，５０ｄの中央部に枠材５０ａ，５０ｃと平行に枠材５０ｅを設け、開口部５１を二分割したので、この枠材５０ｅが前記反りに対してリブとして作用することになり、放熱体１６の更なる剛性向上を図ることができる。
【００４１】
ここで、絶縁基板１１側の枠体１７ａの厚さを冷却シンク部３１側の枠体１７ａの厚さより厚く形成しているので、鋳造体１７ｂを形成する際、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう反りが発生することになる。また、この放熱体１６を絶縁基板１１と接合する際、絶縁基板１１の熱膨張係数は放熱体１６の熱膨張係数より小さいので、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう方向に反りが発生しようとする。この際、放熱体１６には、鋳造体１７ｂを形成した際に絶縁基板１１から遠ざかる方向に反りが生じているので、これらの各反りが互いに相殺し合うことになり、結果として放熱体１６と絶縁基板１１との双方を平坦とすることができ、これらを良好に互いに密着させることができる。
すなわち、放熱体１６と，この放熱体１６の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の絶縁基板１１とをはんだ接合した際に放熱体１６に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包む際に放熱体１６全体に生じるように、枠体１７ａの厚さを絶縁基板１１側と冷却シンク部３１側とで各別に異ならせる設定を容易になすことができるようになり、放熱体１６と絶縁基板１１とを良好に密着させることができ、絶縁基板１１の熱を放熱体１６に確実に伝導させる構成を容易に形成することができる。
【００４２】
また、低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包む際に予め、枠体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持しておき、この状態で枠体１７ａの開口部５１に溶湯を注入するため、放熱体１６の厚み方向，及び沿面方向に対する低熱膨張材１８の配設位置を高精度に位置決めすることができる。すなわち、低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包む際に、低熱膨張材１８に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材１８の放熱体１６に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材１８は枠体１７ａにより狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材１８の配設位置のずれ発生を抑制することができる。これにより、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させて放熱体１６を形成することができ、量産品質を確保することができる。
さらに併せて、低熱膨張材１８の前記位置ずれに起因した、低熱膨張材１８の放熱体１６表面への露出も抑制されるため、絶縁基板１１が載置される放熱体１６表面を確実に平滑面とすることができ、絶縁基板１１と放熱体１６とを良好に密着させることができ、絶縁基板１１からの熱を放熱体１６に良好に伝導させることができる。
【００４３】
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用基板を適用したパワーモジュールは、図３，図４に示すように、放熱体１６に設けられた低熱膨張材１８がリブ（符示せず）を有している。
リブは、低熱膨張材１８に設けられる孔１９を形成する際、予め板材に図３，図４に示す切り込み（１８ａ、１８ｂ）を形成し、この切り込みを利用することで形成される。即ち、予め設けられた切り込みを上下方向に立上げたり，立下げたりして折り曲げることで、立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂが共に形成され、これらからなるリブを有する低熱膨張材１８が形成される。なお、孔１９，立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂは、前記第一実施形態と同様に、低熱膨張材１８と枠体１７ａとが積層した構成において、低熱膨張材１８表面のうち、前記分割された開口部５１（枠体１７ａ）の低熱膨張材１８表面に沿った方向に対する配設位置に選択的に形成される（図４参照）。
そして、この低熱膨張材１８を各枠体１７ａにより狭持した後、この状態で枠体１７ａの開口部５１に溶湯を注入し、この溶湯が開口部５１に充密することにより、孔１９，立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂが鋳造体１７ｂに鋳包まれ、放熱体１６が形成される。
【００４４】
以上説明したように、本第二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が、枠体１７ａ及び鋳造体１７ｂを備えた放熱体本体１７と，孔１９を備えた低熱膨張材１８とを備え、低熱膨張材１８は孔１９を介して鋳造体１７ｂに鋳包まれているので、基本的には前述した第一実施形態と同様の作用効果が得られる。
これに加え、低熱膨張材１８が立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂからなるリブを有しているので、放熱体１６全体としての剛性が更に向上し、強度を増大させることができ、絶縁基板１１側からの熱による反り発生をより一層確実に抑制することができる。
【００４５】
なお、本第二実施形態では、立上げ片１８ａ，立下げ片１８ｂの形成を、板材に切り込みを形成し、この切り込みを上下方向に立上げたり，立下げたりして折り曲げたが、これに限らず、例えば、粉末冶金によって孔１９付き板を焼成した後、これにリブを後付けして設けるようにしてもよく、または、ダイカスト鋳造法によって形成することもでき、更には、熱間鍛造により高温処理される溶融鍛造法によって形成することもできる。これら以外として、以下に示すように放熱体１６を構成することもできる。
【００４６】
次に、本発明の第三実施形態について説明するが、前述の第一，第二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。
本第三実施形態によ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は、図５，図６に示すように、低熱膨張材１８が、絶縁基板１１側の一方の面と、冷却シンク部３１側の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連絡開口部４０を有して設けられ、かつ該連絡開口部４０に鋳造体１７ｂが充填されることで、図５に示すように、鋳造体１７ｂに鋳包まれた構成となっている。
【００４７】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図６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。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けると共に、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。
【００４８】
このように構成された低熱膨張材１８を用いて放熱体１６を形成する際、まず、前記実施形態と同様に、枠体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持した状態で、枠体１７ａの開口部５１に鋳造体１７ｂの溶湯を注入する。この際、溶湯は連絡開口部４０内に側方から流入し、さらに、この連絡開口部４０は前述したように、厚み方向に連絡しているので、連絡開口部４０内に流入した溶湯は、放熱体１６の厚み方向に至ることになる。その後、枠体１７ａの開口部５１に溶湯が充満されるまで溶湯を注入する。そして、この溶湯を冷却硬化することで、放熱体１６の厚み方向，及びこの方向に垂直な方向に連通して低熱膨張材１８を鋳包む鋳造体１７ｂが形成され、放熱体１６が形成される。
【００４９】
以上説明したように本第三実施形態によるパワーモジュール用基板よれば、基本的には前述した第一実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、低熱膨張材１８が、鋳造体１７ｂにより連絡開口部４０を介して鋳包まれて配設されているので、放熱体１６内部に低熱膨張材１８が設けられた構成においても、放熱体１６の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に鋳造体１７ｂが連通することになり、放熱体１６の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。従って、放熱体１６の熱膨張率の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。また、低熱膨張材１８が、帯状の単位板状体４１，４２を同列位置で互いに組付けて連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３に形成し、連鎖状体４３を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に連絡開口部４０の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部４０を有する低熱膨張材１８を確実に形成することができる。
【００５０】
なお、本発明は前記第一〜第三実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、放熱体本体１７に設けられた低熱膨張材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アロイ，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。
【００５１】
また、放熱体１６表面に冷却シンク部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１６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１６に向かって折返る折返し部とを備えた突出部を、放熱体１６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１６表面とが空間を形成することになる。
【００５２】
さらに、絶縁基板１１の放熱体１６側の表面に金属層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。
【００５３】
また、低熱膨張材１８を、いわゆるコルゲート，コルゲートルーバ，若しくは  厚さ方向にエキスパンドした断面矩形の連絡開口部４０を有するエキスパンド構造を一層設けたもの，又は前記各構成のうち一つ，若しくは前記第三実施形態で示したいわゆる，ハニカム構造を複数積層させた構成としてもよい。
さらに、前記第一〜第三実施形態においては、枠体１７ａの開口部５１が二分割された構成を示したが、この構成に限らず、開口部を分割しなくても，分割数が二以上のいわゆる格子状に形成された構成であってもよい。
さらにまた、低熱膨張材１８を平板としてもよい。この場合も放熱体本体１７に枠体１７ａが設けられたことにより放熱体１６の剛性が向上し、さらに、低熱膨張材１８が設けられたことにより放熱体１６自体の熱膨張係数を可及的に小さくすることができ、前記反り発生を抑制することができる。
【００５４】
また、鋳造体１７ｂを形成した後、この鋳造体１７ｂ及び、低熱膨張材１８の鋳造体１７ｂによる狭持部を機械的に切断除去してもよい。この場合、鋳造体１７ｂを形成する際に、枠体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持しておくので、鋳造体１７ｂの溶湯を低熱膨張材１８に注入する際の注入圧により低熱膨張材１８の配設位置がずれることが抑制されるので、前述した量産品質の確保と、製品上の不具合発生の抑制とを図ることができ、更に、放熱体自体のコンパクト化を図ることができるようになる。
さらに、前記の説明においては、放熱体１６を半導体装置のパワーモジュール用基板１０に適用したが、これに限定することなく、それ以外の発熱体や熱源に取り付けて使用しても良いものである。
【００５５】
【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、放熱体の熱膨張係数が可及的に小さくなるとともに，放熱体の剛性が向上することになるので、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際に、放熱体に被放熱体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。
【００５６】
請求項２に係る発明によれば、放熱体表面に複数の被放熱体を接合する構成において、放熱体表面のうち被放熱体との接合部を除く領域に枠体を構成する枠材が配設されることになるので、この枠材が、放熱体に発生する反りに対してリブとして作用することになり、放熱体に被放熱体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。
【００５７】
請求項３に係る発明によれば、形成された放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、鋳造体を形成する際に放熱体に生ずるように、各枠体の厚さを各別に異ならせる設定を容易になすことができる。
【００５８】
請求項４に係る発明によれば、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導することができる。
【００５９】
請求項５に係る発明によれば、放熱体内部に低熱膨張材が配設された構成においても、放熱体の熱伝導率が低下することを抑制することができ、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を実現することができる。
【００６０】
請求項６に係る発明によれば、低熱膨張材がリブを有しているので、放熱体全体の剛性を向上させることができ、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することを一層確実に抑制することができる。
【００６１】
請求項７に係る発明によれば、放熱体内部に低熱膨張材を備えた構成においても、鋳造体が放熱体の厚さ方向，及びこれに垂直な方向に連通する構成を実現することができる。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を確実に実現することができる。
【００６２】
請求項８に係る発明によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて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ともに、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したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００６３】
請求項９に係る発明によれば、枠体は鋳造体より剛性が高いため、放熱体と被放熱体とをはんだ等で接合した際に、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することをより確実に抑制することができる。
【００６４】
請求項１０に係る発明によれば、絶縁基板と間で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ことも抑制することができるパワーモジュール用基板を提供することができる。
【００６５】
請求項１１に係る発明によれば、低熱膨張材を放熱体の厚み方向及び沿面方向に対して高精度に位置決めすることができ、放熱体自体の熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させて形成することができ、量産品質を確保することができる。また、被放熱体が載置される放熱体表面を平滑面とすることができるので、被放熱体と放熱体とを良好に密着させることができ、被放熱体の熱を放熱体に良好に伝導することができる。
【００６６】
請求項１２に係る発明によれば、前記鋳造体を形成した後、枠体，及び低熱膨張材の前記枠体による狭持部を除去するため、形成される放熱体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第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。
【図２】図１に示すＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図３】本発明の第二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。
【図４】図３に示す低熱膨張材の平面図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板が有する放熱体の断面側面図である。
【図６】図５に示す低熱膨張材の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  パワーモジュール用基板
１１  絶縁基板
１６  放熱体
１７  放熱体本体
１７ａ  枠体
１７ｂ  鋳造体
１８  低熱膨張材
１８ａ  立上げ片（リブ）
１８ｂ  立下げ片（リブ）
１９  孔
４０  連絡開口部
４１，４２  単位板状体
４３  連鎖状体
５１  開口部（枠体の内側）
【図１】
2004356303.tif 000003
【図２】
2004356303.tif 000004
【図３】
2004356303.tif 000005
【図４】
2004356303.tif 000006
【図５】
2004356303.tif 000007
【図６】
2004356303.tif 000008