(57)【要約】【課題】温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができるとともに、放熱性に優れて半導体チップからの熱を効率良く放散させることができる放熱体及び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２と，絶縁基板２の一方の面側に設けられた放熱体８とを備えたパワーモジュール用基板１であって、放熱体８は、対向して設けられる純度が９９．９９９９％以上の銅からなる板状体９と、板状体９、９間に介装されるとともに、板状体９よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材１０と、低熱膨張材１０を板状体９、９間で挟持した状態で前記板状間に鋳造されて、低熱膨張材１０を埋設させる鋳造体１９とを備えてなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
対向して設けられる純度が９９．９９９９％以上の銅からなる板状体と、該板状体間に介装されるとともに、該板状体よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材と、該低熱膨張材を前記板状体間で挟持した状態で前記板状体間に鋳造されて、前記低熱膨張材を埋設させる鋳造体とを備えてな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、
前記低熱膨張材は、ハニカム構造体であることを特徴とする放熱体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の放熱体において、
前記板状体は圧延材であ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５】
被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、
鋳型内に純度９９．９９９９％以上の銅からなる板状体を対向させて位置するとともに、該板状体間に該板状体よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材を介装し、該低熱膨張材を前記板状体間で挟持した状態で前記板状体間に鋳造材を鋳込んで前記板状体間に鋳造体を鋳造し、該鋳造体内に前記低熱膨張材を埋設させ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】
本発明は、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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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として、図４に示すように、ＡｌＮ等からなる絶縁基板３２の一方の面にＡｌ、Ｃｕ等からなる回路層３３を積層し、この回路層３３にはんだを介して発熱体である半導体チップ３６を搭載するとともに、絶縁基板３２の他方の面にはんだ、ろう材等を介して放熱体３８を直接接合したパワーモジュール用基板３１が知られている。
【０００３】
また、他の例として、図５に示すように、ＡｌＮ等からなる絶縁基板４２の一方の面にＡｌ等からなる回路層４３を積層し、他方の面にＡｌ等からなる金属層４４を積層し、回路層４３にはんだを介して発熱体である半導体チップ４６を搭載し、金属層４４にはんだ、ろう材等を介して放熱体４８を接合したパワーモジュール用基板４１が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、他の例として、図示はしないが、ＡｌＮ等からなる絶縁基板の一方の面にＡｌ等からなる回路層を積層し、他方の面にＡｌ等からなる金属層を積層し、回路層にはんだを介して発熱体である半導体チップを搭載し、金属層に可塑性多孔質金属層（気孔率２０〜５０％のＣｕ）を介して放熱体を接合したパワーモジュール用基板が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板のうち図４に示すものは、回路層３３と放熱体３８との間の距離が短いので、放熱性に優れ、半導体チップ３６からの熱を効率良く放熱体３８側に伝導させて放散させることができる。しかし、放熱体３８は、例えば３Ｎ−Ｃｕ（純度が９９．９％の銅）から形成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返すことにより常温で加工硬化が生じてしまい、絶縁基板３２と放熱体３８との間のはんだ又はろう材にクラックが生じ、絶縁基板３２と放熱体３８との間に剥離が生じたり、絶縁基板３２や放熱体３８に反りや割れが生じることがある。
【０００７】
一方、図５に示すものは、絶縁基板４２と放熱体４８との間に緩衝材である金属層４４が介装されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、絶縁基板４２と放熱体４８との熱膨張率の差を吸収でき、両者間に剥離が生じるようなことはなく、絶縁基板４２や放熱体４８に反りや割れが生じるようなことはない。しかし、回路層４３と放熱体４８との間の距離が長くなるので、伝熱性が悪くなり、半導体チップ４６からの熱を効率良く放熱体４８側に伝導させて放散させることができない。
【０００８】
さらに、図示を省略したものは、絶縁基板と放熱体との間に緩衝材である金属層と可塑性多孔質金属層とが介装されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、絶縁基板と放熱体との熱膨張率の差を吸収でき、両者間に剥離が生じるようなことはなく、絶縁基板や放熱体に反りや割れが生じるようなことはない。しかし、回路層と放熱体との間の距離が長くなるとともに、可塑性多孔質金属層の分だけ伝熱性が悪くなるため、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝導させて放散させることができない。
【０００９】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化が生じて絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じたり、絶縁基板や放熱体に反りや割れが生じたりするようなことはなく、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができるとともに、放熱性に優れて半導体チップからの熱を効率良く放散させることができる放熱体及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。すなわち、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、対向して設けられる純度が９９．９９９９％以上の銅からなる板状体と、該板状体間に介装されるとともに、該板状体よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材と、該低熱膨張材を前記板状体間で挟持した状態で前記板状間に鋳造されて、前記低熱膨張材を埋設させる鋳造体とを備えてなることを特徴とする。
この発明による放熱体によれば、純度９９．９９９９％以上の銅からなる板状体間に鋳造体が鋳造され、この鋳造体内に板状体間で挟持された状態でハニカム構造体からなる低熱膨張材が埋設されることになる。
【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、前記低熱膨張材は、ハニカム構造体であることを特徴とする。
この発明による放熱体によれば、純度９９．９９９９％以上の銅からなる板状体間に鋳造体が鋳造され、この鋳造体内に板状体間で挟持された状態でハニカム構造体からなる低熱膨張材が埋設されることになる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の放熱体において、前記板状体は圧延材であることを特徴とする。
この発明による放熱体によれば、純度９９．９９９９％以上の銅からなる圧延材である板状体間に鋳造体が鋳造され、この鋳造体内に板状体で挟持された状態でハニカム構造体からなる低熱膨張材が埋設されることになる。
【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絶縁基板が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項５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、鋳型内に純度９９．９９９９％以上の銅からなる板状体を対向させて位置するとともに、該板状体間に該板状体よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材を介装し、該低熱膨張材を前記板状体間で挟持した状態で前記板状体間に鋳造材を鋳込んで前記板状体間に鋳造体を鋳造し、該鋳造体内に前記低熱膨張材を埋設させることを特徴とする。
この放熱体の製造方法によれば、純度９９．９９９９％以上の銅からなる板状体間に鋳造体が鋳造され、この鋳造体内に板状体間で挟持された状態で低熱膨張材が埋設されることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１から図３には、本発明による放熱体を有するパワーモジュール用基板の一実施の形態が示されている。
【００１６】
パワーモジュール用基板には種々のタイプのものがあり、この実施の形態のパワーモジュール用基板１は、絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面に積層される回路層３と、絶縁基板２の他方の面に積層される金属層４と、回路層３に搭載される半導体チップ６と、金属層４に接合される放熱体８とを備えている。
【００１７】
絶縁基板２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成されるものであって、その上面側に回路層３が積層接着され、下面側に金属層４が積層接着されるようになっている。
【００１８】
回路層３は、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、回路層３には所定のパターンの回路が形成され、この回路上にはんだ５を介して半導体チップ６が搭載されるようになっている。
【００１９】
金属層４は、回路層３と同様に、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、その下面側にはんだ７又はろう付け、拡散接合等によって放熱体８が接合されるようになっている。
【００２０】
回路層３及び金属層４を絶縁基板２に積層接着する方法としては、絶縁基板２と回路層３及び金属層４とを重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２を加え、Ｎ２雰囲気中で１０６５℃に加熱するいわゆるＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）、絶縁基板２と回路層３及び金属層４との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の箔を挟んだ状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２を加え、真空中で８００〜９００℃に加熱するいわゆる活性金属法等があり、用途に応じて適宜の方法を選択して使用すれば良い。
【００２１】
放熱体８は、所定の間隔をおいて対向して設けられる一対の板状の板状体９、９と、両板状体９、９間に介装される両板状体９、９よりも熱膨張係数の低い材質からなる低熱膨張材１０と、両板状体９、９間に鋳造されて低熱膨張材１０を埋設させる鋳造体１９とを備えている。
放熱体８は、ヒートシンク２０の上部にねじ２２によって固定されるようになっている。ヒートシンク２０の内部には冷却媒体２１（冷却液、冷却空気等）が流通し、半導体チップ６から放熱体８に伝導する熱がこの冷却媒体２１を介して外部に放散されるようになっている。
【００２２】
各板状体９は、６Ｎ−Ｃｕ、すなわち、純度が９９、９９９９％のＣｕから形成されている。６Ｎ−Ｃｕは、再結晶温度がＲＴ（室温）〜１００℃の特性を有するものであって、−４０〜１２５℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、Ａｌからなるものと同様に、３０００サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。各板状体９は、圧延材から形成されている。なお、この板状体９を構成するＣｕの純度は、９９．９９９９％以上であってよい。
【００２３】
低熱膨張材１０としては、ハニカム構造体、エキスパンド構造体、コルゲート、コルゲートルーバ等が挙げられ、この実施の形態においては、ハニカム構造体１８としている。すなわち、２枚の帯板１１、１４をそれぞれ長さ方向に交互に折り曲げ、長さ方向に山１２、谷１３が交互に位置する上帯板１１と、長さ方向に谷１５、山１６が交互に位置する下帯板１４とを形成する。そして、この上帯板１１と下帯板１４とを山１２、１６と谷１３、１５が互いに対向するように組み合わせて、山１２、１６と谷１３、１５との間で六角柱状の空間１７をそれぞれ形成し、六角形状の空間１７が長さ方向に連続して位置するハニカム構造体１８を構成する。そして、このハニカム構造体１８を板状体９、９間に複数列設け、隣接するハニカム構造体１８、１８の六角柱状の空間１７が互い違いに位置するように構成する。
【００２４】
低熱膨張材１０は、板状体９よりも熱膨張係数の低い材質からなるものであって、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、例えばインバー合金から形成される。インバー合金は、熱膨張係数が５×１０−６／℃以下であり、Ｆｅが６４．６ｍｏｌでＮｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率であり、室温付近で殆ど熱膨張が生じない合金である。Ｆｅ中にそれ以外の不可避不純物が含まれるものもインバー合金としている。なお、低熱膨張材１０の材質を高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２アロイ、モリブデン、タングステン等としても良い。
【００２５】
低熱膨張材１０は、板状体９、９間で上下方向から挟持された状態で板状体９、９間に鋳造される鋳造体１９内に埋設される。鋳造体１９の材質としては、６Ｎ−Ｃｕ（純度が９９．９９９９％のＣｕ）、４Ｎ−Ｃｕ（純度が９９．９９％のＣｕ）、Ａｌ等が挙げられるが、これ以外の材質であっても良い。低熱膨張材１０を鋳造体１９内に埋設させることにより、放熱体８全体の熱膨張係数と絶縁基板２の熱膨張係数との差を小さくすることができる。
【００２６】
次に、上記のように構成した放熱体８の製造方法について説明する。
まず、鋳型（図示せず）内に６Ｎ−Ｃｕからなる２枚の板状体９、９を所定の間隔をおいて対向させて位置し、両板状体９、９間に複数の低熱膨張材１０を六角形状の空間１７が互い違いに位置するように介装させ、両板状体９、９間で複数の低熱膨張材１０、……を挟持し、この状態で両板状体９、９間に６Ｎ−Ｃｕ、４Ｎ−Ｃｕ、Ａｌ等からなる溶融状態の鋳造材を鋳込み、鋳造材内に低熱膨張材１０を埋設させる。
【００２７】
そして、所定の時間保持して鋳造材を冷却硬化させ、両板状体９、９間に６Ｎ−Ｃｕ、４Ｎ−Ｃｕ、Ａｌ等からなる鋳造体１９を鋳造し、鋳造体１９内に低熱膨張材１０を埋設させる。このようにして、この実施の形態による放熱体８が形成されることになる。
【００２８】
そして、この放熱体８を金属層４の下面側にはんだ５、又はろう付け、拡散接合等によって接合し、この状態で放熱体８をねじ２２によりヒートシンク２０の上部に固定することにより、パワーモジュール用基板１が構成されるものである。なお、図示はしないが、ヒートシンク２０の代わりにコルゲートフィン等を使用しても良い。
【００２９】
上記のように構成したこの実施の形態によるパワーモジュール用基板にあっては、放熱体８を、６Ｎ−Ｃｕからなる一対の板状体９、９と、両板状体９、９間に介装されるＦｅ−Ｎｉ系合金からなる低熱膨張材１０と、両板状体９、９間に鋳造されて低熱膨張時材１０を埋設させる６Ｎ−Ｃｕ、４Ｎ−Ｃｕ、Ａｌ等からなる鋳造体１９とによって構成しているので、放熱体８全体としての熱膨張係数を著しく下げることができる。
【００３０】
従って、絶縁基板２と放熱体８との熱膨張係数の差を小さくすることができるので、絶縁基板２や放熱体８に反りが生じることを抑制することができ、従って、絶縁基板２と放熱体８との間に間隙が形成されることを抑制することができるので、半導体チップ６からの熱を放熱体８を介して確実にヒートシンク２０側に伝導させて放散させることができることになる。
【００３１】
ここで、放熱体８が、６Ｎ−Ｃｕからなる一対の板状体９，９を備えているので、これらの板状体９，９のうち一方の板状体９が、放熱体８と接合されることになる。従って、６Ｎ−Ｃｕが、使用時における温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化を生じ難い材料であることから、前記一方の板状体９の放熱体８との接合面は、前述した熱膨張，収縮が繰り返し作用しても、常に、これに伴って、柔軟に変形することになる。これにより、常温で加工硬化が生じて絶縁基板２と放熱体８との間に剥離が生じることを抑制することができ、また、絶縁基板２や放熱体８に反りや割れが生じることを抑制することができ、さらに、温度サイクルに対する耐久性を大幅に高めることができるので、半導体チップ６からの熱を放熱体８を介してヒートシンク２０側に伝導させて放散させる構成を確実に実現することができる。
【００３２】
図６に、従来のパワーモジュール用基板、及び本発明のパワーモジュール用基板に対して行った温度サイクル試験の結果を示す。この試験は、従来品及び本発明品に温度サイクル試験を行い、絶縁基板２と放熱体８との接合部の温度（℃）を測定したものである。この試験結果は、前記接合部の温度が高い程、この接合部に間隙が生ずる等して、半導体チップ６からの熱がヒートシンク２０側に伝導されて放散されていない状態を示しており、逆に、前記接合部の温度が低い程、前記熱が良好に放散されている状態を示している。この図６から、本発明によるパワーモジュール用基板が、従来のパワーモジュール用基板よりも接合部の温度変化が少ない（または温度変化がない）、すなわち前記熱が良好に放散されていることが分かる。
【００３３】
また、低熱膨張材１０は、両板状体９、９間で挟持された状態で両板状体９、９間に鋳造される鋳造体１９内に埋設されることになるので、低熱膨張材１０を両板状体９、９間の所定の位置に精度良く位置決めすることができ、板状体９、９間の鋳造体１９の厚みを所定の値に形成することができる。従って、常に一定の熱膨張係数、熱伝導率等を有する放熱体８が得られるので、所望の放熱特性を有する放熱体８を具備するパワーモジュール用基板１を提供することができる。
【００３４】
さらに、放熱体８の両板状体９、９は、共に圧延材から形成されているので、両板状体９、９の絶縁基板２側の面及びヒートシンク２０側の面を平坦面とすることができる。従って、放熱体８と絶縁基板２側との密着性、放熱体８とヒートシンク２０側との密着性を高めることができるので、半導体チップ６からの熱を放熱体８を介してヒートシンク２０側に効率良く伝導させて放散させることができることになる。
【００３５】
さらに、放熱体８の両板状体９、９は、共に圧延材から形成されているので、空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができることになる。従って、両板状体９、９の特性の差異により放熱体８の熱伝導率等が影響を受けるようなことはないので、常に所定の熱伝導率を有する放熱体８を具備したパワーモジュール用基板１が得られることになる。
【００３６】
なお、前記の説明においては、本発明を絶縁基板２の他方の面に金属層４が設けられたパワーモジュール用基板１に適用したが、絶縁基板の他方の面に放熱体をはんだを介して直接に接合したパワーモジュール用基板に適用しても良いし、その他のタイプのパワーモジュール用基板に適用しても良いし、それらの場合にも同様の作用効果を奏するものである。
さらに、前記の説明においては、放熱体８を半導体装置のパワーモジュール用基板１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。
【００３７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の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よれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差を小さくすることができるので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、常温で加工硬化が生じて絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じるようなことはなく、絶縁基板や放熱体に反りや割れが生じるようなことはなく、温度サイクルに対する耐久性を大幅に高めることができ、半導体チップからの熱を放熱体を介して効率良くヒートシンク側に伝導させて放散させることができることになる。
【００３８】
また、低熱膨張材を板状体間の所定の位置に精度良く位置決めできるので、板状体間に鋳造される鋳造体の厚みを所定の値に形成することができることになる。従って、常に一定の熱膨張係数、熱伝導率等を有する放熱体が得られることになるので、常に所望の放熱特性を有する放熱体を具備したパワーモジュール用基板が得られることになる。
【００３９】
さらに、板状体は圧延材から形成されることになるので、板状体の絶縁基板側の面及びヒートシンク側の面を平坦面とすることができることになる。従って、放熱体と絶縁基板側との密着性、放熱体とヒートシンク側との密着性を高めることができるので、半導体チップからの熱を放熱体を介してヒートシンク側に効率良く伝導させて放散させることができることになる。さらに、板状体の空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができるので、板状体の特性の差異によって放熱体の熱伝導率等が影響を受けるようなことはなく、常に所定の熱伝導率を有する放熱体を具備したパワーモジュール用基板が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態のパワーモジュール用基板を示した概略断面図である。
【図２】図１の放熱体の部分拡大断面図である。
【図３】図２の低熱膨張材の要部を示した説明図である。
【図４】従来のパワーモジュール用基板の一例を示した説明図である。
【図５】従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した説明図である。
【図６】本発明によるパワーモジュール用基板における放熱体と絶縁基板との接合部の温度と、従来のパワーモジュール用基板における前記接合部の温度との比較を示す図である。
【符号の説明】
１  パワーモジュール用基板
２  絶縁基板
８  放熱体
９  板状体
１０  低熱膨張材
１８  ハニカム構造体
１９  鋳造体
【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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【図６】
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