(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置されて前記接合層よりも熱伝導率が高い高熱伝導体層とを備え、
前記絶縁体層が、接合層と、前記接合層よりも熱伝導率が高くかつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高く、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、
前記接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔に複数配置した粒子群が、前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。
【請求項２】
前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記周方向で０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔で配置されていると共に、
前記粒子群が、前記基準円の半径方向で０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項３】
一方の前記高熱伝導体層の上面に発熱体を搭載する発熱体搭載予定部が形成され、
前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記発熱体搭載予定部と対向するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項４】
前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮあるいはＢＮによって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項５】
前記接合層が、温度サイクルに耐える耐熱性樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項６】
前記接合層が、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相によって形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項７】
前記高熱伝導体層が、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕで構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項８】
前記高熱伝導体層の一方に、半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項９】
前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることを特徴とする請求項８に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１０】
少なくとも２つ形成された前記高熱伝導体層のうちの１つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも１つの厚みと異なることを特徴とする請求項９に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１１】
前記回路が構成された高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１２】
前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１３】
前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、他の電子回路に接続される端子構造が形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の絶縁伝熱構造体と、前記高熱伝導体層の上面に設けられた半導体チップとを備えることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項１５】
他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることを特徴とする請求項１４に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１６】
ヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求項１４または１５に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１７】
前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることを特徴とする請求項１６に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１８】
高熱伝導体層の一面に前記高熱伝導体層よりも熱伝導率が低い接合層を設ける接合層形成工程と、
該接合層の上面に、該接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記接合層よりも熱伝導率が高くかつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高い絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数配置する粒子配置工程と、
前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする絶縁伝熱構造体の製造方法。
【請求項１９】
前記粒子配置工程が、前記接合層上に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共に前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔によって構成される貫通孔群が前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク部材を配置し、
前記複数の貫通孔に、前記高熱伝導硬質粒子を通過させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項１８に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
【請求項２０】
前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、
該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成し、
前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することを特徴とする請求項１９に記載の絶縁伝熱構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関し、特に、半導体チップなどの電子部品、電子部品が実装される回路基板などの発熱体とヒートシンク、ヒートブロックなどの放熱体との間に介装される絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）やＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などを有するパワーモジュール構造体が知られている。
この種のパワーモジュール構造体としては、例えば絶縁体セラミックスと、この絶縁体セラミックスの一面にハンダ層を介して設けられた回路層と、絶縁体セラミックスの他面にハンダ層を介して設けられた放熱板と、この放熱板に熱伝導グリース層を介して装着されたヒートシンクとを備える構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このパワーモジュール構造体は、回路層の表面に例えば半導体チップのような発熱体を配設することで使用される。そして、使用時には、発熱体のオンオフが繰り返されることにより、パワーモジュール構造体全体に温度サイクルが作用することとなる。
【特許文献１】特開平１−２８６３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のパワーモジュール構造体には、以下の課題が残されている。すなわち、上記従来のパワーモジュール構造体では、発熱体によって発生された熱がこの発熱体にとどまることを防止するために、回路層を厚くすることによって熱をこの回路層に良好に伝導させる場合がある。この場合、パワーモジュール構造体の使用時に発生する回路層の熱変形が絶縁体セラミックスや半導体チップに拘束されることによって、絶縁体セラミックスや半導体チップに大きな曲げ応力が作用することとなり、この絶縁体セラミックスに割れが生じたり、回路層と半導体チップとの間のハンダ層にクラックが生じるおそれがある。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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た。すなわち、本発明の絶縁伝熱構造体は、絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置されて前記接合層よりも熱伝導率が高い高熱伝導体層とを備え、前記絶縁体層が、接合層と、前記接合層よりも熱伝導率が高くかつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高く、前記高熱伝導体層に突出されている絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、前記接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔に複数配置した粒子群が、前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、高熱伝導体層の一面に前記高熱伝導体層よりも熱伝導率が低い接合層を設ける接合層形成工程と、該接合層の上面に、該接合層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で前記接合層よりも熱伝導率が高くかつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高い絶縁性高熱伝導硬質粒子を等間隔で配置して粒子群を形成すると共に、該粒子群を前記一点を中心とした同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数配置する粒子配置工程と、前記高熱伝導体層との間に前記接合層及び前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を介在させるように他の高熱伝導体層を配置した状態で、加熱、加圧し、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子を前記両高熱伝導体層に突き出させる加熱加圧工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
これらの発明によれば、両高熱伝導体層内で両高熱伝導体層間の熱伝導性に偏りが生じることを抑制するので、両高熱伝導体層間の熱伝導が効率よく行われる。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子が接合層内で偏りなく配置されているので、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
【００１２】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記粒子群を形成する前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記周方向で０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔で配置されていると共に、前記粒子群が、該粒子群の半径方向で０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔で配置されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子の配置間隔を０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすると共に粒子群の配置間隔を０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることによって、上述と同様に、両高熱伝導体層間の熱伝導性を維持すると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、一方の前記高熱伝導体層の上面に発熱体を搭載する発熱体搭載予定部が形成され、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、前記発熱体搭載予定部と対向するように配置されていることが好ましい。
この発明によれば、例えば半導体チップのような発熱体が搭載される発熱体搭載予定部と対向する位置に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置することで、発熱体による発熱を効率よく他方の高熱伝導体層に伝導させることができると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を削減することができる。
【００１４】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子が、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮあるいはＢＮによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、低熱膨張係数でかつ熱伝導率の高いダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮあるいはＢＮを用いることで、絶縁体層と一方の高熱伝導体層とを合わせた熱膨張係数を小さくでき、かつ絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層間で良好に熱を伝達することができる。
【００１５】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、温度サイクルに耐える耐熱性樹脂によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁体層が弾性を有することから、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体と絶縁体層との間に亀裂が生じることが防止される。
【００１６】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記接合層が、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いることで絶縁耐圧を上昇させたり、高温高湿雰囲気中での耐圧値の劣化を抑制したりすることができる。
【００１７】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層が、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕによって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、Ａｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕの熱伝導率が高いことから、発熱体の熱が良好に伝達されることになる。また、Ａｌは、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないことから、信頼性が向上する。
【００１８】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層の一方に、半導体チップを搭載するための回路が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、回路上に半導体チップを搭載して、この半導体チップで発生した熱を、半導体チップが搭載された一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層に伝導する。
【００１９】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された高熱伝導体層が、前記絶縁体層の一面に分割して形成されていることが好ましい。
この発明によれば、高熱伝導体層の１つに半導体チップを搭載して、他の高熱伝導体層とこの半導体チップの電極をワイヤなどで接続し、電子回路として使用することができる。
【００２０】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの１つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも１つの厚みと異なることが好ましい。
この発明によれば、分割形成された高熱伝導体層の厚みを適宜変更することで、過渡熱を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることが好ましい。
この発明によれば、ニッケルメッキ層によってハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００２２】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層のうちの一方が、放熱体であることが好ましい。
この発明によれば、放熱体によって効率よく放熱することができる。
【００２３】
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層の少なくとも一部に、他の電子回路に接続される端子構造が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
【００２４】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上記記載の絶縁伝熱構造体と、前記高熱伝導体層の上面に設けられた半導体チップとを備えることを特徴とする。
この発明によれば、半導体チップの生じる熱が絶縁伝熱構造体を介して放熱され、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。
【００２５】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、他の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることが好ましい。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。また、半導体チップの生じる熱が伝導されたときに、より効率よく放熱することができる。
【００２６】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
【００２７】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
【００２８】
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面方向の一方向に等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共に前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔によって構成される貫通孔群が前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク部材を配置し、前記複数の貫通孔に、前記高熱伝導硬質粒子を通過させて前記接合層上に配置することが好ましい。
この発明によれば、マスク部材上に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置したときに、貫通孔を通過した絶縁性高熱伝導硬質粒子のみが接合層上に配置される。したがって、接合層上にそれぞれ所定の間隔となるように粒子群及び粒子群を形成する絶縁性高熱伝導硬質粒子を容易に配置することができる。
【００２９】
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面方向の一方向に等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記面方向の前記一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
また、本発明の絶縁伝熱構造体の製造方法は、前記粒子配置工程が、前記接合層上に、紫外線を照射することで粘着性が変化する感光性樹脂層を形成し、該感光性樹脂層に紫外線を照射して、該感光性樹脂層の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位によって構成される粘着部位群を前記一点を中心として同心円状に前記基準円の半径方向で等間隔に複数形成し、前記複数の粘着部位群を構成する複数の粘着部位のそれぞれに前記高熱伝導硬質粒子を粘着固定させて前記接合層上に配置することが好ましい。
この発明によれば、感光性樹脂層の上面に絶縁性高熱伝導硬質粒子を配置したときに、粘着部位上に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子のみが感光性樹脂層の上面に粘着固定され、感光性樹脂層の他の上面に配置された絶縁性高熱伝導硬質粒子が感光性樹脂層の上面に粘着固定されない。したがって、接合層上にそれぞれ所定の間隔となるように粒子群及び粒子群を形成する絶縁性高熱伝導硬質粒子を容易に配置することができる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明にかかる絶縁伝熱構造体及び製造方法によれば、両高熱伝導体層間の熱伝導が効率よく行われ、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても安定した性能が維持される。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子が接合層内で偏りなく設けられているので、絶縁性高熱伝導硬質粒子の使用量を抑制して製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明による絶縁伝熱構造体の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態における絶縁伝熱構造体１は、絶縁体層２と、絶縁体層２の両側に配置された高熱伝導体層３、４とを備えている。
【００３２】
絶縁体層２は、高熱伝導体層３、４間を一体に接続する接合層５と、接合層５に混入または貼着されたダイヤモンド粒子（絶縁性高熱伝導硬質粒子）６とによって構成されており、ダイヤモンド粒子６の高熱伝導体層３、４側に位置している部分が、高熱伝導体層３、４内に突き出されている。
【００３３】
接合層５は、絶縁性及び耐熱性を有しており、例えばポリイミド製の熱硬化性樹脂によって構成されており、絶縁抵抗が１０１０Ω・ｃｍ以上、融点が４５０〜６００℃（連続使用温度２５０℃以上に耐えることが可能な温度（ハンダの融点温度以上））となっている。
【００３４】
ダイヤモンド粒子６は、絶縁性、高熱伝導性及び硬質性を有しており、絶縁抵抗が接合層５と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３より高い１５０Ｗ／ｍＫ以上であると共に硬度が高熱伝導体層３、４の硬さの１０倍以上（高熱伝導体層３、４を５０〜１００Ｈｖの純金属で構成した場合にはＨｖ５００〜１０００の硬さ）となっている。
また、ダイヤモンド粒子６は、その粒径が１００μｍ以上３００μｍ以下となっており、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層３、４を配置し、高熱伝導体層３、４を熱間圧着したときに、高熱伝導体層３、４側に位置している部分が高熱伝導体層３、４内に突き出される。
そして、ダイヤモンド粒子６は、図２に示すように、接合層５の面方向の一方向で間隔Ｌ１となるように複数配置されることで粒子群６Ａを形成している。そして、この粒子群６Ａは、接合層５の面方向の上記一方向とは異なる他の方向で間隔Ｌ２となるように複数配置されている。すなわち、ダイヤモンド粒子６は、接合層５の面内で格子状に配置されている。ここで、間隔Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下となっている。なお、ダイヤモンド粒子６は、接合層５の面方向で互いに交差する２方向で、それぞれの方向で等間隔に配置されていればよく、この２方向が直交する格子状に限られるものではない。
【００３５】
高熱伝導体層３、４は、それぞれ電気伝導性を有するＡｌの薄板によって構成されている。また、高熱伝導体層３、４は、絶縁体層２の両側に位置した状態でプレスなどによって加圧することにより、絶縁体層２の両側に積層された状態で配置される。この高熱伝導体層３、４は、ダイヤモンド粒子６よりも軟らかい材料によって形成されており、絶縁体層２と対向する面にダイヤモンド粒子６の一部が突き出されている。
【００３６】
次に、上述した構成の絶縁伝熱構造体１の製造方法について説明する。
まず、接合層形成工程を行う。この接合層形成工程では、一方の高熱伝導体層４の一面に接合層５を形成し、その上に溶剤を塗布することで溶剤層８を形成する（図３（ａ）参照）。
次に、粒子配置工程を行う。この粒子配置工程では、ダイヤモンド粒子６とほぼ同一の径の貫通孔Ｍａが形成された金属またはセラミックスで形成されたマスク板（マスク部材）Ｍを、接合層５からダイヤモンド粒子６とほぼ同一の間隙を介して配置する（図３（ｂ）参照）。ここで、貫通孔Ｍａは、一方向で間隔Ｌ１となるように複数形成されることで貫通孔群Ｍｂを構成している。また、この貫通孔群Ｍｂは、一方向とは異なる他の方向で間隔Ｌ２となるように複数形成されている。これら間隔Ｌ１、Ｌ２は、それぞれダイヤモンド粒子６の配置間隔と同様に０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下となっている。そして、マスク板Ｍの上から貫通孔Ｍａを介してダイヤモンド粒子６を溶剤層８上に配置する（図３（ｃ）参照）。このとき、マスク板Ｍの上にダイヤモンド粒子６を載置しても、貫通孔Ｍａを通過したダイヤモンド粒子６のみが溶剤層８上に配置され、接合層５上の互いに交差する２方向で等間隔となるように配置される。
そして、加熱加圧工程を行う。この加熱加圧工程では、溶剤層８を乾燥させ（図３（ｄ）参照）、加熱・加圧することで両高熱伝導体層３、４間を接合層５を介して一体に接合させ、ダイヤモンド粒子６の高熱伝導体層３、４に対向している部分を高熱伝導体層３、４側に貫入させる（図３（ｅ）参照）。
以上のようにして、絶縁体層２の両側に高熱伝導体層３、４を積層した状態で配置した絶縁伝熱構造体１が製造される。ここで、ダイヤモンド粒子６の表面をＣｕメッキまたはＮｉメッキで被覆し、ダイヤモンド粒子６と高熱伝導体層３、４との接合性を高めてもよい。
【００３７】
そして、上述のように構成した絶縁伝熱構造体１の一方の高熱伝導体層３上に例えば半導体チップなどの発熱体を搭載することによって発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体層４を放熱体側として使用することにより、一方の高熱伝導体層３側の熱が絶縁体層２のダイヤモンド粒子６を介して他方の高熱伝導体層４側に伝導されて放散されることになる。
【００３８】
このように構成された絶縁伝熱構造体１によれば、両高熱伝導体層３、４間の熱伝導が効率よく行われるので、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を維持することができる。ここで、ダイヤモンド粒子６が接合層５の層内方向の互いに交差する２方向においてそれぞれ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の間隔で配置されており、ダイヤモンド粒子６が接合層５内で偏りなく設けられているので、ダイヤモンド粒子６の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
【００３９】
なお、本実施形態において、高熱伝導体層３の上に例えば半導体チップのような発熱体を搭載する場合には、以下のようにして絶縁伝熱構造体１を製造してもよい。
すなわち、高熱伝導体層３の半導体チップが搭載される発熱体搭載予定部と対向する接合層５のみにダイヤモンド粒子６が配置されるようにマスク板Ｍの貫通孔Ｍａを形成する。そして、このマスク板Ｍを用いてダイヤモンド粒子６を配置して高熱伝導体層３、４で接合層５を挟み込むことで、ダイヤモンド粒子６が発熱体搭載予定部と対向する接合層５のみに配置される。このように発熱体搭載予定部と対向する接合層５のみにダイヤモンド粒子６を配置することで、半導体チップのような発熱体で発熱した熱が他の高熱伝導体層に効率よく伝導されると共に、ダイヤモンド粒子６の使用量の削減を図れる。
【００４０】
また、以下のようにして絶縁伝熱構造体１を製造してもよい。まず、接合層形成工程では、一方の高熱伝導体層４の一面に接合層５を配置し、その上に特定波長の紫外線を照射することによって粘着性が発生する感光性粘着シートまたはラミネートである感光性樹脂層９を形成する（図４（ａ）参照）。ここで、感光性樹脂層９には、例えばソマタックＵＶシリーズ（ソマール株式会社製）などが好適に用いられる。
次に、粒子配置工程では、格子状のように２方向でそれぞれ間隔Ｌ１、Ｌ２となるように貫通孔が形成されたマスクを用いて感光性樹脂層９に対して紫外線を照射する。これにより、感光性樹脂層９の面方向の一方向で紫外線の照射部位９Ａが等間隔に複数形成されることで照射部位群９Ｂを構成すると共に、この照射部位群９Ｂが面方向の一方向とは異なる方向で等間隔に複数形成される。この照射部位９Ａは、紫外線が照射されることによって粘着性が変化する（図４（ｂ）参照）。そして、感光性樹脂層９の上にダイヤモンド粒子６を配置させ（図４（ｃ）参照）、加熱することで感光性樹脂層９を消失させる（図４（ｄ）参照）。このとき、感光性樹脂層９の照射部位９Ａがダイヤモンド粒子６の粒径とほぼ同一となるように形成することで、ダイヤモンド粒子６を感光性樹脂層９上に均一に配置しても、感光性樹脂層９上の２方向のそれぞれで等間隔となるように形成された照射部位９Ａ上のみにダイヤモンド粒子６が１つずつ配置されることになる。
その後、加熱加圧工程では、上述と同様に、加熱・加圧することで両高熱伝導体層３、４間を接合層５を介して一体に接合させ、ダイヤモンド粒子６の高熱伝導体層３、４に対向している部分を高熱伝導体層３、４側に貫入させる（図４（ｅ）参照）。以上のようにして絶縁伝熱構造体１を製造する。ここで、感光性樹脂層９は、紫外線を照射することによって粘着性を消失するように構成されてもよい。
【００４１】
さらに、本実施形態では、図５に示すように、ダイヤモンド粒子６を接合層５の面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔に複数配置することで粒子群６Ｂを形成すると共に、この粒子群６Ｂを上記一点を中心とした同心円状に上記基準円の半径方向に等間隔で複数配置してもよい。ここで、粒子群６Ｂを構成するダイヤモンド粒子６は、基準円の周方向で間隔Ｌ３となるように等間隔で配置されている。また、各粒子群６Ｂは、基準円の半径方向で間隔Ｌ４となるように等間隔で配置されている。これら間隔Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下となっている。このようにしても、上述と同様に、ダイヤモンド粒子６が接合層５内で偏りなく設けられているので、両高熱伝導体層３、４間の熱伝導が効率よく行われ、ダイヤモンド粒子６の使用量を抑制し、製造コストを削減することができる。
ここで、上述と同様に、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔であると共にダイヤモンド粒子６の粒径とほぼ同一である複数の貫通孔（図示略）によって構成される貫通孔群（図示略）が上記一点を中心として同心円状に上記基準円の半径方向で等間隔に複数形成されたマスク板（図示略）を用いてダイヤモンド粒子６の配置を行ってもよい。さらに、紫外線を照射して、面内の一点を基準とした基準円の周方向で等間隔である複数箇所に粘着性を有する複数の粘着部位（図示略）によって構成される粘着部位群（図示略）を上記一点を中心として同心円状に上記基準円の半径方向で等間隔に複数形成した感光性樹脂層（図示略）を用いてダイヤモンド粒子６の配置を行ってもよい。
【００４２】
次に、第２の実施形態について図６を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図６においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第２の実施形態におけるパワーモジュール用基板２０は、絶縁伝熱構造体をパワーモジュール用基板として適用したものであって、絶縁体層２の上面側に一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂであるＡｌなどからなる回路層が分割して配置され、絶縁体層２の下面側に他方の高熱伝導体層４であるＡｌなどからなる薄板が配置されている。そして、これらを加熱、加圧することにより両高熱伝導体層３ａ、３ｂ、４を絶縁体層２の接合層５を介して一体的に接合し、絶縁体層２のダイヤモンド粒子６の一部を両高熱伝導体層３ａ、３ｂ、４内に突き出させた構成とされている。
【００４３】
このように構成されたパワーモジュール用基板２０によれば、上述した第１の実施形態と同様に、高熱伝導体層３ａ、３ｂ、４間の熱の伝導が効率よく行われる。
【００４４】
次に、第３の実施形態について図７を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図７においては、図６と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第３の実施形態におけるパワーモジュール用基板２５は、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４の表面がニッケルメッキ層（以下、Ｎｉメッキ層と省略する）２６で被覆されている。
【００４５】
このように構成されたパワーモジュール用基板２５においても、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４の表面をＮｉメッキ層２６で被覆することによって、ハンダを用いて他の部材と接合したときに、ハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００４６】
次に、第４の実施形態について図８を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図８においては、図６と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第４の実施形態におけるパワーモジュール用基板３０は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして互いに厚さの異なるＣｕ製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌなどからなる薄板が配置されている。
【００４７】
このように構成されたパワーモジュール用基板３０によれば、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、分割形成された高熱伝導体層３ａ、３ｂの厚みを適宜変更することで、過渡熱を効率よく抑制することができる。
【００４８】
次に、第５の実施形態について図９を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第４の実施形態と同様であり、上述の第４の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図９においては、図８と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第４の実施形態におけるパワーモジュール用基板３５は、上述した第３の実施形態と同様に、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４の表面がＮｉメッキ層２６で被覆されている。
【００４９】
このように構成されたパワーモジュール用基板３５においても、上述した第４の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層３ａ、３ｂ及び高熱伝導体層４の表面をＮｉメッキ層２６で被覆することによって、上述した第３の実施形態と同様に、ハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
【００５０】
次に、第６の実施形態について図１０を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１０においては、図６と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第６の実施形態におけるパワーモジュール用基板４０は、一方の高熱伝導体層３としてＣｕ製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートブロックが配置されている。そして、高熱伝導体層３である回路層の表面にハンダ層４１を介して半導体チップ４２が実装されている。
【００５１】
このように構成されたパワーモジュール用基板４０によれば、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層４をヒートブロックとして構成することで、半導体チップ４２で生じた熱を高熱伝導体層４で効率よく放熱することができる。
【００５２】
次に、第７の実施形態について図１１を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第６の実施形態と同様であり、上述の第６の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１１においては、図１０と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第７の実施形態におけるパワーモジュール用基板４５は、一方の高熱伝導体層３としてＣｕ製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートシンクが配置されている。
【００５３】
このように構成されたパワーモジュール用基板４５によれば、上述した第６の実施形態と同様の作用、効果を有する。
【００５４】
次に、第８の実施形態について図１２を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第２の実施形態と同様であり、上述の第２の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１２においては、図６と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第８の実施形態におけるパワーモジュール用基板５０は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂの表面をＮｉメッキ層２６で被覆したＣｕ製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートシンクが配置されている。
【００５５】
このように構成されたパワーモジュール用基板５０においても、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層４としてＡｌ製のヒートシンクを配置することで、効率よく放熱することができる。
【００５６】
次に、第９の実施形態について図１３を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第３の実施形態と同様であり、上述の第３の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１３においては、図７と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第９の実施形態におけるパワーモジュール用基板５５は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして表面をＮｉメッキ層２６で被覆したＣｕ製の回路層及びＣｕ製の端子部材が配置され、他方の高熱伝導体層４として表面がＮｉメッキ層２６で被覆されたＡｌなどからなる薄板が配置されている。
【００５７】
このように構成されたパワーモジュール用基板５５においても、上述した第２の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層３ｂを端子構造とすることで、この端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
【００５８】
次に、第１０の実施形態について図１４を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第３の実施形態と同様であり、上述の第３の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１４においては、図７と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第１０の実施形態におけるパワーモジュール用基板６０は、一方の高熱伝導体層３ａ、３ｂとして表面をＮｉメッキ層２６で被覆したＣｕ製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層４として表面をＮｉメッキ層２６で被覆したＡｌなどからなる薄板が配置されている。
高熱伝導体層３ａの表面には、ハンダ層４１を介して半導体チップ４２が実装されており、半導体チップ４２の表面と高熱伝導体層３ｂの表面とをＡｌワイヤ６１で接続されている。また、高熱伝導体層４の下面に放熱板６２が接合されている。
【００５９】
このように構成されたパワーモジュール用基板６０においても、上述した第３の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ４２と高熱伝導体層３ｂとがＡｌワイヤ６１によって電気的に接続されると共に、半導体チップ４２で生じた熱を高熱伝導体層４に効率よく伝導させて放熱板６２で効率よく放熱させる。
【００６０】
次に、第１１の実施形態について図１５を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１０の実施形態と同様であり、上述の第１０の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１５においては、図１４と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第１１の実施形態におけるパワーモジュール用基板６５は、放熱板６２の下面に熱伝導グリース層（図示略）を介在させた状態でネジ６６を用いてヒートシンク６７が取り付けられている。
【００６１】
このように構成されたパワーモジュール用基板６５においても、上述した第１０の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ４２で生じた熱を放熱板６２及びヒートシンク６７で効率よく放熱させる。
【００６２】
次に、第１２の実施形態について図１６を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１０の実施形態と同様であり、上述の第１０の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図１６においては、図１４と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第１２の実施形態におけるパワーモジュール用基板７０は、上フランジ部７１ａ及び下フランジ部７１ｂを備える付勢部材７１を有している。この付勢部材７１は、上フランジ部７１ａを高熱伝導体層３ａ、３ｂの外縁部に当接させ、下フランジ部７１ｂをヒートシンク６７に当接させて高熱伝導体層４の下面に熱伝導グリース層（図示略）を介在させた状態でネジ６２を用いてヒートシンク６７に取り付けられている。
【００６３】
このように構成されたパワーモジュール用基板７０においても、上述した第１０の実施形態と同様の作用、効果を有するが、付勢部材７１によって高熱伝導体層４とヒートシンク６７との接触が良好となり、半導体チップ４２で生じた熱をヒートシンク６７で効率よく放熱させることができる。
【００６４】
なお、本発明は上記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できる。
例えば、接合層は、絶縁抵抗が１０１０Ω・ｃｍ以上、融点が４５０〜６００℃であればよく、アクリル熱圧着テープやエポキシやポリイミド、ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、各種の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
【００６５】
また、接合層として、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いてもよい。接合層として用いられる材料は、連続使用温度２５０℃以上に耐え得る温度（ハンダの融点温度以上）のガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相が好ましい。例えば、ガラス系としては、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３系、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系、Ｐ２Ｏ５系、ＴｅＯ２系などの低軟化ガラス系が望ましく、分散するセラミック粒子としては、アルミナ、ジルコン、ムライト、チタニアなどの低熱膨張酸化物が望ましい。
【００６６】
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として用いられる材料は、絶縁抵抗が接合層と同様に１０１０Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であると共に硬度が高熱伝導体層よりも高いものであればよく、ダイヤモンドに限らず、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮなどを用いてもよい。ここで、上述と同様に、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３より高い１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、絶縁性高熱伝導硬質粒子の硬度が高熱伝導体層の硬さの１０倍以上（例えば、高熱伝導体層３、４をＨｖ５０〜１００の純金属で構成した場合にはＨｖ５００〜１０００の硬さ）よりも高いことが好ましい。
【００６７】
また、高熱伝導体層として用いられる材料は、絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも硬度が低く、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上であればよく、ビッカース硬さがＨｖ５０〜１００の純金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなど）や、それらの合金などを用いることができる。ただし、これらに限定することなく、同様の特性を有する純金属、合金などを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
この発明によれば、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板並びに絶縁伝熱構造体の製造方法に関して、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す概略断面図である。
【図２】図１の絶縁体層におけるダイヤモンド粒子の配置状態を示す概略平面図である
【図３】図１の絶縁伝熱構造体の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明による絶縁伝熱構造体の他の製造方法を示す説明図である。
【図５】図１の絶縁体層におけるダイヤモンド粒子の他の配置状態を示す概略平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の第１０の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１５】本発明の第１１の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【図１６】本発明の第１２の実施形態における絶縁伝熱構造体を示す説明図であって、パワーモジュール用基板に適用した例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  絶縁伝熱構造体
２  絶縁体層
３、４  高熱伝導体層
５  接合層
６  ダイヤモンド粒子（絶縁性高熱伝導硬質粒子）
６Ａ、６Ｂ  粒子群
９  感光性樹脂層
９Ａ  粘着部位
９Ｂ  粘着部位群
２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０  パワーモジュール用基板
２６  Ｎｉメッキ層（ニッケルメッキ層）
４２  半導体チップ
６２  放熱体
６７  ヒートシンク
７１  密接部材
Ｍ  マスク板（マスク部材）
Ｍａ  貫通孔
Ｍｂ  貫通孔群
【図１】
0004797676.tif 000002
【図２】
0004797676.tif 000003
【図３】
0004797676.tif 000004
【図４】
0004797676.tif 000005
【図５】
0004797676.tif 000006
【図６】
0004797676.tif 000007
【図７】
0004797676.tif 000008
【図８】
0004797676.tif 000009
【図９】
0004797676.tif 000010
【図１０】
0004797676.tif 000011
【図１１】
0004797676.tif 000012
【図１２】
0004797676.tif 000013
【図１３】
0004797676.tif 000014
【図１４】
0004797676.tif 000015
【図１５】
0004797676.tif 000016
【図１６】
0004797676.tif 000017