(57)【要約】【課題】  ヒートスプレッダ及び絶縁回路基板において、発熱体の熱を良好に伝熱することができる。【解決手段】  金属製の母材６内にダイヤモンド粒子８が混入されてなり、母材６の一方の表面に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ伝達させる構成とされたヒートスプレッダ３であって、母材６内に、当該母材６の前記一方の表面から前記他方の表面に向かう方向に対して直交する方向に延びるダイヤモンド粒子層９が少なくとも１つ備えられている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ伝達させる構成とされたヒートスプレッダであって、
前記母材内に、当該母材の前記一方の表面から前記他方の表面に向かう方向に対して直交する方向に延びるダイヤモンド粒子層が少なくとも１つ備えられていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
請求項１記載のヒートスプレッダにおいて、
前記ダイヤモンド粒子が前記母材と同一材質のコーティング層を有することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のヒートスプレッダにおいて、
前記母材は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金、又はＡｌ若しくはＡｌ合金により形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、
前記ダイヤモンド粒子層が、Ｃｕ合金層と該Ｃｕ合金層内に分散する前記ダイヤモンド粒子とによって形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項５】
請求項４記載のヒートスプレッダにおいて、
前記Ｃｕ合金層は、Ｃｕ−Ａｇ系合金からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項６】
請求項１から３のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、
前記ダイヤモンド粒子層が、Ａｌ合金層と該Ａｌ合金層内に分散する前記ダイヤモンド粒子とによって形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項７】
請求項６記載のヒートスプレッダにおいて、
前記Ａｌ合金層は、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、
ヒートスプレッダ本体の厚みが０．４ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成され、前記ダイヤモンド粒子層の厚みが５０μｍ以上３００μｍ以下に形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、
前記ダイヤモンド粒子の端部が前記母材に突き出されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のヒートスプレッダが絶縁体セラミックスの一方の面側に回路層を介して設けられるとともに、金属層が前記絶縁体セラミックスの他方の面側に設けられていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項１１】
請求項１０に記載の絶縁回路基板において、
前記絶縁体セラミックスが、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、若しくはアルミナからなることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の絶縁回路基板において、
前記金属層が、ＣｕまたはＡｌから形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項１３】
請求項１０から１２のいずれかに記載の絶縁回路基板に半導体素子が接続され、該半導体素子が前記ヒートスプレッダ上に設置されていることを特徴とするパワーモジュール構造体。
【請求項１４】
請求項１３記載のパワーモジュール構造体において、
前記金属層の下面側に、前記半導体素子から前記金属層に伝導した熱を外部に放散させる構成とされた放熱体が設けられていることを特徴とするパワーモジュール構造体。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のパワーモジュール構造体において、
前記金属層の下面側に、水冷又は空冷ヒートシンクが設けられていることを特徴とするパワーモジュール構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートスプレッダ、絶縁回路基板およびパワージュール構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）、ＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）等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、例えば下記特許文献１に示されるような、絶縁体セラミックスと、該絶縁体セラミックスの一方の面にはんだを介して設けられた回路層と、前記絶縁体セラミックスの他方の面にはんだを介して設けられた放熱板と、該放熱板に熱伝導グリースを介して装着されたヒートシンクとを備える構成が知られている。このようなパワーモジュール構造体を使用するに際しては、一般に前記回路層の表面に発熱体としての例えば半導体素子を配設することがなされている。そして、使用時には、前記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】
ところが従来では、発熱体により発生された熱が該発熱体に留まることを防止するために、前記回路層を厚くすることによって、前記熱をこの回路層に良好に伝導させるようにすることがなされる場合があった。この場合、パワーモジュール構造体の使用時に発生する前記回路層の熱変形が絶縁体セラミックスや半導体素子に拘束されることによって、該絶縁体セラミックスや半導体素子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発生したり、あるいは回路層と半導体素子との間のはんだにクラックが発生するおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
請求項１記載の発明は、金属製の母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ伝達させる構成とされたヒートスプレッダであって、前記母材内に、当該母材の前記一方の表面から前記他方の表面に向かう方向に対して直交する方向に延びるダイヤモンド粒子層が少なくとも１つ備えられていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、熱膨張係数の小さいダイヤモンド粒子が含まれていることから、ヒートスプレッダ全体の熱膨張係数が小さく抑えられ、温度サイクルが繰り返されたとしても、発熱体とヒートスプレッダとの間に過大な熱応力が生じ難く、発熱体にクラックが生じ難いことになる。
また、ダイヤモンド粒子は、熱伝導率が高いことから、ヒートスプレッダの一方の面に設けられた発熱体の熱が、ヒートスプレッダの他方の面に良好に伝熱されることになる。
さらに、前記ダイヤモンド粒子層が、前記母材の前記一方の表面から前記他方の表面に向かう方向に対して直交する方向に延在しているので、前記一方および前記他方の表面に沿った方向における当該ヒートスプレッダの全域において、前述した作用効果を均等に奏することが可能になり、このような作用効果が確実に奏されることになる。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド粒子が前記母材と同一材質のコーティング層を有することを特徴とする。  
この発明に係るヒートスプレッダによれば、ダイヤモンド粒子と母材とが強固に接合することになり、温度サイクルが繰り返されたとしても、母材とダイヤモンド粒子との接合状態が保持される。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のヒートスプレッダにおいて、前記母材は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金、又はＡｌ若しくはＡｌ合金により形成されていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金の熱伝導率が高いことから、ヒートスプレッダ全体の熱伝導率も高くなり、発熱体の熱が良好に伝達されることになる。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド粒子層が、Ｃｕ合金層と該Ｃｕ合金層内に分散する前記ダイヤモンド粒子とによって形成されていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、Ｃｕ合金層と母材との間では金属結合しており、このＣｕ合金層内に分散しているダイヤモンド粒子は、強固に母材内で固定されることになる。
請求項５に記載の発明は、請求項４記載のヒートスプレッダにおいて、前記Ｃｕ合金層は、Ｃｕ−Ａｇ系合金からなることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、前記Ｃｕ合金層と母材との間の強固な接合を確実に実現することができる。
【０００８】
請求項６に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド粒子層が、Ａｌ合金層と該Ａｌ合金層内に分散する前記ダイヤモンド粒子とによって形成されていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、Ａｌ合金層内と母材との間では、金属結合しており、このＡｌ合金層内に分散しているダイヤモンド粒子は、強固に母材内で固定されることになる。
請求項７に記載の発明は、請求項６記載のヒートスプレッダにおいて、前記Ａｌ合金層は、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、前記Ａｌ合金層と母材との間の強固な接合を確実に実現することができる。
【０００９】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、ヒートスプレッダ本体の厚みが０．４ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成され、前記ダイヤモンド粒子層の厚みが５０μｍ以上３００μｍ以下に形成されていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、発熱体に生じる熱がヒートスプレッダによって伝達されることになり、温度サイクルが繰り返されたとしても、発熱体に生じる熱応力が緩和される。
なお、ヒートスプレッダ本体の厚みが０．４ｍｍより薄く形成されると、このヒートスプレッダの熱容量が小さくなることによって熱抵抗が高くなり、また、ヒートスプレッダ本体の厚みが３ｍｍより厚く形成されると、温度サイクルが繰り返される過程において、半導体素子や絶縁体セラミックス等に生じる熱応力が過大なものとなる。
また、ダイヤモンド粒子層の厚みが５０μｍよりも薄く形成されると、ダイヤモンド粒子層がヒートスプレッダの熱膨張係数を下げる効果を奏し難くなり、さらにダイヤモンド粒子層の厚みが３００μｍよりも厚く形成されると、熱伝導率が向上されたヒートスプレッダを形成することが困難になる。
【００１０】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載のヒートスプレッダにおいて、前記ダイヤモンド粒子の端部が前記母材に突き出されていることを特徴とする。
この発明に係るヒートスプレッダによれば、発熱体の熱がヒートスプレッダを通る際に、母材に突き出されたダイヤモンド粒子の端部から、他方のダイヤモンド粒子の端部に伝熱されることになり、良好に発熱体の熱が伝熱されることになる。
【００１１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載のヒートスプレッダが絶縁体セラミックスの一方の面側に回路層を介して設けられるとともに、金属層が前記絶縁体セラミックスの他方の面側に設けられていることを特徴とする。
この発明に係る絶縁回路基板によれば、発熱体の熱がヒートスプレッダによって良好に伝熱されることになる。
【００１２】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の絶縁回路基板において、前記絶縁体セラミックスが、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、若しくはアルミナからなることを特徴とする。
この発明に係る絶縁回路基板によれば、絶縁体セラミックスとヒートスプレッダとの熱膨張係数の整合性がとられることになる。
【００１３】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は１１に記載の絶縁回路基板において、前記金属層がＣｕまたはＡｌから形成されていることを特徴とする。
この発明に係る絶縁回路基板によれば、金属層が、発熱体の熱を良好に伝達することになる。
【００１４】
請求項１３に記載の発明は、請求項１０から１２のいずれかに記載の絶縁回路基板に半導体素子が接続され、該半導体素子が前記ヒートスプレッダ上に設置されていることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール構造体によれば、半導体素子の熱がヒートスプレッダを介して良好に伝達されることになり、該半導体素子に熱が留まることを抑制することが可能になる。
【００１５】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３記載のパワーモジュール構造体において、前記金属層の下面側に、前記半導体素子から前記金属層に伝導した熱を外部に放散させる構成とされた放熱体が設けられていることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール構造体によれば、半導体素子の熱がヒートスプレッダを介して前記金属層に良好に伝達され、さらに該金属層に伝達された熱が前記放熱体を介して外部へ放散されることとなるので、前記半導体素子に熱が留まることを確実に抑制することができるとともに、使用時における当該パワーモジュール構造体の温度上昇を抑制することが可能になり、前記絶縁体セラミックスに割れが発生すること等を防止することができる。
【００１６】
請求項１５に記載の発明は、請求項１３または１４に記載のパワーモジュール構造体において、前記金属層の下面側に、水冷又は空冷ヒートシンクが設けられていることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール構造体によれば、半導体素子の熱がヒートスプレッダを介して前記金属層に伝達され、さらにこの熱が前記ヒートシンク内の水若しくは空気により奪われることになるので、前記半導体素子に熱が留まることを確実に抑制することができるとともに、使用時における当該パワーモジュール構造体の温度上昇を抑制することが可能になり、前記絶縁体セラミックスに割れが発生すること等を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明に係るヒートスプレッダ、絶縁回路基板およびパワーモジュール構造体によれば、発熱体の熱を良好に伝達させることができ、はんだや絶縁体セラミックス等にクラックが生じることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態を示したものである。図１に示されるように、この絶縁基板回路１は、絶縁体セラミックス４と、回路層５と、ヒートスプレッダ３と、金属層１２とによって構成されている。
絶縁体セラミックス４の上面側には、回路層５が設けられており、下面側には金属層１２が設けられている。
回路層５の上面側には、例えば９０Ｐｂ−１０Ｓｎからなるはんだ１１を介して、ヒートスプレッダ３が設けられている。
本実施形態に係る絶縁回路基板１においては、ヒートスプレッダ３の上面側に、例えば９０Ｐｂ−１０Ｓｎからなるはんだ１０を介して半導体素子２が設けられ、金属層１２の下面側に、該金属層１２よりも熱容量の大きい図示されない放熱体と、水冷若しくは空冷の図示されないヒートシンクとがこの順に設けられ、これらの絶縁回路基板１と半導体素子２と前記放熱体および前記ヒートシンクとによってパワーモジュール構造体が構成されている。
絶縁体セラミックス４は、例えばＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、若しくはアルミナにより形成されている。また、金属層１２、回路層５および前記放熱体は、ＣｕまたはＡｌにより形成されている。
【００１９】
図２は、ヒートスプレッダ３の概略図であって、ヒートスプレッダ３は、銅（Ｃｕ若しくはＣｕ合金）により形成された２枚の母材６と、この母材６によって挟まれたダイヤモンド粒子層９とによって形成されている。すなわち、２つの母材６、６と、ダイヤモンド粒子層９とからなる３層構造とされ、母材６の内部に１層のダイヤモンド粒子層９が備えられた構成となっている。
さらに、ダイヤモンド粒子層９は、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７と、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７内に分散させられたダイヤモンド粒子８とによって形成されている。Ｃｕ−Ａｇ系合金層７としては、Ｃｕ−２０〜３６％Ａｇ系合金により形成されるのが望ましい。
このダイヤモンド粒子８の両端部、つまり、各粒子８において、径方向外方へ鋭利に突出し、かつ互いに対向して位置された両先端部は、母材６に突き出されている。このように形成されたヒートスプレッダ３本体の厚み、すなわち２つの母材６、６とダイヤモンド粒子層９とが積層された積層方向における大きさ、言い換えるとヒートスプレッド３全体の厚みは、例えば０．４ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成され、ダイヤモンド粒子層９の厚みは、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下に形成される。
また、ヒートスプレッダ３は、熱膨張係数の小さいダイヤモンド粒子８を有していることから、ヒートスプレッダ３全体の熱膨張係数は、略３．９（１０−６Ｋ−１）となるように形成されている。
【００２０】
上記のように構成されたヒートスプレッダ３は、銅（Ｃｕ若しくはＣｕ合金）板である母材６を２枚準備して、この母材６と同一の銅（Ｃｕ若しくはＣｕ合金）によってコーティングされたダイヤモンド粒子８と、Ａｇ膜とを、２枚の前記母材６の間にはさみプレスし、この際に、ダイヤモンド粒子８の前記両先端部を各母材６、６内にめり込ませることにより突き出させる。
そして、略７５０℃以上で熱処理することにより、母材６とＡｇ膜との間で拡散を進行させ、母材６とＡｇ膜との間を共晶反応によって金属結合させる。
この際、Ａｇ膜は、母材６の銅と共晶反応することにより、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７とされ、母材６とＣｕ−Ａｇ系合金層７とは強固に接合されることになる。
【００２１】
その一方で、ダイヤモンド粒子８の表面には母材６と同一の銅によりコーティングが施されていることから、ダイヤモンド粒子８をコーティングする銅と、Ａｇ膜との間においても拡散が進行する。
このため、ダイヤモンド粒子８の表面にコーティングされた銅と、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７との間も共晶反応によって金属結合されることになり、ダイヤモンド粒子８がＣｕ−Ａｇ系合金層７内で強固に固定されることになる。
【００２２】
したがって、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７と、母材６と、ダイヤモンド粒子８とは、それぞれ共晶反応によって接合されることになり、苛酷な温度サイクル（例えば、−４０℃以上１２５℃以下）が繰り返されたとしても、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７と、母材６と、ダイヤモンド粒子８との接合状態が良好に保たれることになる。
【００２３】
図１において、上記のように構成されたヒートスプレッダ３を有する絶縁回路基板１においては、半導体素子２の熱がヒートスプレッダ３を介して、前記ヒートシンクによって冷却される。
つまり、図２において、ダイヤモンド粒子８の前記両端部が、ダイヤモンド粒子層９に配設された各母材６、６に突き出ていることから、半導体素子２側に位置する一方の母材６に半導体素子２から伝導された熱が、ヒートスプレッダ３のダイヤモンド粒子８を介して、絶縁体セラミックス４側に位置する他方の母材６に良好に伝導されることとなる。
このため、半導体素子２の温度上昇が抑えられ、苛酷な温度サイクルが繰り返されたとしても、半導体素子２の機能を確保することができる。
さらに、このヒートスプレッダ３のダイヤモンド粒子層９の熱膨張係数は、略３．９（１０−６Ｋ−１）とされていることから、ヒートスプレッダ３と絶縁体セラミックス４と半導体素子２との熱膨張係数が略一致することになる。
【００２４】
このため、苛酷な温度サイクル下で使用された場合においても、絶縁体セラミックス４、ヒートスプレッダ３又は半導体素子２が反り返る等の変形の発生を防止することができ、また、ヒートスプレッダ３および絶縁体セラミックス４等にひび割れ等のクラックの発生が防止することができる。
【００２５】
さらに、前述のようにヒートスプレッダ３と絶縁体セラミックス４と半導体素子２との熱膨張係数が略一致していることから、はんだ１０及びはんだ１１に大きな熱応力がかかることがなく、はんだ１０及びはんだ１１にひび割れ等のクラックの発生を防止することができる。
特に本実施形態では、ダイヤモンド粒子層９が、ヒートスプレッダ３全体において、半導体素子２が設けられた一方の表面から、回路層５が設けられた他方の表面に向かう方向、つまり高温側から低温側に向かう方向に対して直交する方向に延在しているので、前述した作用効果を、前記一方および前記他方の表面に沿った方向における当該ヒートスプレッダ３の全域に亙って均等に奏することが可能になり、このような作用効果を確実に奏することができる。
また、前記金属層１２の下面側に、前記放熱体と前記ヒートシンクとがこの順に設けられているので、半導体素子２の熱がヒートスプレッダ３を介して前記金属層１２および前記放熱体に順次良好に伝達され、さらに該放熱体に伝達された熱が前記ヒートシンク内の水や空気により奪われることになるので、半導体素子２に熱が留まることを確実に抑制することができるとともに、使用時における当該パワーモジュール構造体の温度上昇を抑制することが可能になり、絶縁体セラミックス４に割れが発生すること等を確実に防止することができる。
【００２６】
表１は、絶縁回路基板１におけるヒートスプレッダ３の上面側に半導体素子２が装着されてなるパワーモジュール構造体を用いて、−４０℃以上１２５℃以下の温度サイクルを３０００回かけたときの後述する各部のクラックの発生状況を調査した結果を示すものである。
ここで、絶縁回路基板１は次のようにして形成した。まず、ヒートスプレッダ３については、一辺の長さが５０ｍｍ、厚さが０．２ｍｍの銅（Ｃｕ）板の母材６と、厚さ１．５ｍｍの銅（Ｃｕ）板の母材６とを準備した後に、これら６、６の間に、Ｃｕコーティングされたダイヤモンド粒子８（粒径２００μｍ以上３００μｍ以下）、および厚さ３０μｍのＡｇ膜を挟み込み、この状態で、圧力０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下でプレスして、略７５０℃以上で熱処理することにより、母材６とＡｇ膜との間で拡散を進行させ、母材６とＡｇ膜との間を拡散させる共晶反応によって金属結合することにより形成した。この際に、Ａｇ膜はＣｕ−Ａｇ系合金層７とされる。次に、絶縁体セラミックス４の上面側に設けられた回路層５の上面に、９０Ｐｂ−１０Ｓｎからなるはんだ材と、ヒートスプレッダ３とをこの順に積層させて配置するとともに、該ヒートスプレッダ３の上面に、同様のはんだ材と、半導体素子２とをこの順に積層させて配置する。その後、この状態で前記積層された方向にこれらを加圧するとともに、加熱することにより、前記はんだ材を溶融硬化させて、前記はんだ１０、１１を形成し、前記パワーモジュール構造体を形成した。そして、このパワーモジュール構造体に、前記温度サイクルを負荷したときに、はんだ１０、１１にクラックが発生するか否かを調査した。
なお、表１において、ダイヤモンド−Ａｇ−Ｃｕ層厚とは、ダイヤモンド粒子層９の厚みを意味する。
【００２７】
【表１】
2005183942.tif 000003
【００２８】
この表１において、比較例１では、ヒートスプレッダ３本体の厚さ（全体の厚さ）が１．７ｍｍに対して、ダイヤモンド粒子層９の厚さが５０μｍより小さい３０μｍであり、すなわちヒートスプレッダ３全体におけるダイヤモンド粒子層９の占有体積が小さくなり過ぎ、ヒートスプレッダ３全体の熱膨張係数を十分に小さくすることができず、これにより、半導体素子２の下側に形成されたはんだ１０にクラックが発生した。
また、比較例２では、ダイヤモンド粒子層９の厚さ、すなわちＣｕ−Ａｇ系合金層７の厚さが３００μｍより大きい４００μｍであり、ダイヤモンド粒子８に対して大きくなり過ぎ、該粒子８の前記両端部を、当該ダイヤモンド粒子層９の上下に設けられた母材６に突き出すことができず、ヒートスプレッダ３の熱伝導率を向上させることができなかった。
さらに、比較例３では、前記ヒートスプレッダ３本体の厚さが３ｍｍより大きい４．５ｍｍであり、この場合、前記パワーモジュール構造体の使用時に発生するヒートスプレッダ３の熱変形が絶縁体セラミックス４や半導体素子２に拘束されることによって、これら２、４および前記はんだ１０、１１に大きな曲げ応力が作用することとなり、半導体素子２とヒートスプレッダ３との間に位置するはんだ１０にクラックが発生した。
これに対し、実施例１から４に示されるように、ヒートスプレッダ３本体の厚さを０．４ｍｍ以上３ｍｍ以下とし、ダイヤモンド粒子層９の厚さを５０μｍ以上３００μｍ以下とすると、ヒートスプレッダ３の熱伝導率を確実に向上させることが可能になり、前記クラックの発生を防止できることが確認できた。
【００２９】
なお、本実施形態においては、ヒートスプレッダ３を形成する際に、Ａｇ膜を用いることにしたが、このＡｇ膜に代えて、Ａｇ粉末、フレーク状のＡｇを用いてもよい。このような、Ａｇ粉末又はフレーク状のＡｇを用いることにより、母材６の銅と、Ａｇとの拡散開始温度を低くすることができる。特に、平均粒径が０．２５μｍのＡｇ粉末においては、接合温度を４００℃以下にまで下げることができる。また、本実施形態におけるヒートシンクは、空冷式のヒートシンクでも、水冷式のヒートシンクであってもよい。
さらに、前記実施形態では、ダイヤモンド粒子層９が、Ｃｕ−Ａｇ系合金層７とダイヤモンド粒子８とを備える構成を示したが、この合金層７は、Ｃｕ−Ａｇ系合金により形成されたものに限らず他の組成を有するＣｕ合金により形成されたものであってもよく、また、Ｃｕ合金に代えて、Ａｌ合金により形成されたＡｌ合金層７としてもよい。この場合、Ａｌ合金層７をＡｌ−Ｓｉ系合金により形成するのが望ましく、特にＡｌ−４〜１５％Ｓｉ系合金により形成するのがさらに望ましい。なお、Ａｌ合金層７を採用する場合には、母材６、６はＡｌ若しくはＡｌ合金、望ましくは純度が９９．９８％以上のＡｌにより形成する必要がある。また、ダイヤモンド粒子８の表面にはＣｕ若しくはＣｕ合金に代えてＡｌ若しくはＡｌ合金をコーティングする必要がある。
さらにまた、前記実施形態では、９０Ｐｂ−１０Ｓｎからなるはんだ１０、１１を採用したが、これに代えて例えばＳｎ−Ａｇ系等の鉛フリーはんだを採用してもよい。
【００３０】
図３は、本発明の第２の実施形態を示すものである。なお、図１、図２の構成と同一の構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。
図３に示されるように、絶縁回路基板３０は、絶縁体セラミックス４と、回路層２４と、ヒートスプレッダ２５と、金属層１２とによって概ね構成されている。
絶縁体セラミックス４の上面側には、回路層２４が設けられており、下面側には金属層１２が設けられている。
ヒートスプレッダ２５は、回路層２４と、ダイヤモンド粒子層２３と、銅の母材２０とによって形成されている。
つまり、本実施形態に係るヒートスプレッダ２５は回路層２４を一部に含む、言い換えればヒートスプレッダ２５の一部が回路層２４を構成するようになっている。
ダイヤモンド粒子層２３は、Ｃｕ−Ａｇ系合金層２１と、このＣｕ−Ａｇ系合金層２１内に分散するダイヤモンド粒子２２とによって構成されている。
このダイヤモンド粒子２２の一方の端部は母材２０に突き出され、他方の端部は回路層２４に突き出されている。
また、ダイヤモンド粒子２２の表面には、母材２０および回路層２４と同一材質の銅がコーティングされている。
【００３１】
上記のヒートスプレッダ２５は、例えば、銅の回路層２４の上に、表面が銅によってコーティングされたダイヤモンド粒子２２とＡｇ膜とを配置し、このＡｇ膜の上に銅の母材２０を配置した状態で加圧して約８００℃で接合することにより形成する。
この際、第１の実施形態と同様に、Ａｇ膜は、回路層２４と母材２０とダイヤモンド粒子２２の表面にコーティングされた銅との間において、共晶反応によって金属結合することになる。
このため、Ａｇ膜は、Ｃｕ−Ａｇ系合金層２１とされると共に、ダイヤモンド粒子２２はＣｕ−Ａｇ系合金層２１と強固に接合されることになる。さらに、Ｃｕ−Ａｇ系合金層２１と回路層２４と母材２０との間も、それぞれ共晶反応によって強固に接合されることになる。
【００３２】
このようにして形成されたヒートスプレッダ２５は、ダイヤモンド粒子２２の一方の端部に位置する、径方向外方へ鋭利に突出した一の先端部が母材２０に突き出され、また、他方の端部に位置する、径方向外方へ鋭利に突出した他の先端部が回路層２４に突き出されている。
このため、半導体素子２の熱が母材２０から、ダイヤモンド粒子２２を通して、絶縁体セラミックス４へと伝達され、絶縁体セラミックス４に伝達された熱は、金属層１２を介して、図示されないヒートシンクに伝達されると共に冷却されることになる。
ここで、ダイヤモンド粒子２２は、熱伝導率が高いことから、半導体素子２において生じる熱を良好にヒートシンクに伝達することができる。
特に、ダイヤモンド粒子２２の前記他方の端部は、回路層２４に突き出されていることから、半導体素子２の熱を効率的に放散させることができる構成を確実に実現することができる。すなわち、前記第１の実施形態と異なり、ヒートスプレッダ２５と回路層２４との間にはんだが介在されておらず、ヒートスプレッダ２５の一部が回路層２４を構成するように、ダイヤモンド粒子２２の前記他方の端部が回路層２４に突き出されているので、半導体素子２からの熱を、母材２０、ダイヤモンド粒子２２、および回路層２４を順次良好かつ確実に伝導させることが可能になる。
【００３３】
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ヒートスプレッダ２５にはダイヤモンド粒子層２３が含まれていることから、ヒートスプレッダ２５と絶縁体セラミックス４と半導体素子２との熱膨張係数が略一致することとなる。したがって、本実施形態においても、パワーモジュール構造体に温度サイクルが繰り返されたとしても、ヒートスプレッダ２５又は絶縁体セラミックス４に反り等の変形が生ずることを抑制できるとともに、半導体素子２とヒートスプレッダ２５との間のはんだ１０にクラックが発生することを防止することができる。
【００３４】
表２は、絶縁回路基板３０におけるヒートスプレッダ２５の上面側に半導体素子２が装着されてなるパワーモジュール構造体を用いて、−４０℃以上１２５℃以下の温度サイクルを３０００回かけたときの後述する各部のクラックの発生状況を調査した結果を示すものである。
ここで、絶縁回路基板３０は次のようにして形成した。まず、上面側に銅の回路層２４が設けられ、下面側に金属層１２に設けられた絶縁体セラミックス４において、回路層２４の上面にＣｕコーティングされたダイヤモンド粒子２２（粒径２００μｍ以上３００μｍ以下）と厚さ３０μｍのＡｇ膜とを配置するとともに、これらの上に前記母材２０としての厚さが０．３ｍｍとされた銅板を配置する。さらに、該銅板の上面に９０Ｐｂ−１０Ｓｎからなるはんだ材と、半導体素子２とをこの順に配置した後に、これらを加圧し８００℃で接合して絶縁回路基板３０およびこれに半導体素子２が備えられたパワーモジュール構造体を形成した。
そして、このパワーモジュール構造体に−４０℃以上１２５℃以上の温度サイクルを繰り返しかけ、半導体素子２とヒートスプレッダ２５との間に位置するはんだ１０及び絶縁体セラミックス４にクラックが生じるか否かについて調査した。前記回路層２４を形成した銅として、本実施例では、純度が９９．９９９９％の銅を採用した。
なお、表２における、回路厚さとは、母材２０とダイヤモンド粒子層２３と回路層２４との厚みの合計、つまりヒートスプレッダ２５本体の厚みを意味する。また、ダイヤモンド−Ａｇ−Ｃｕ層厚とは、ダイヤモンド粒子層２３の厚みを意味する。
【００３５】
【表２】
2005183942.tif 000004
【００３６】
この表２において、比較例１では、前記回路厚さが１．７ｍｍに対して、ダイヤモンド粒子層２３の厚さが５０μｍより小さい３０μｍであり、すなわちヒートスプレッダ２５全体におけるダイヤモンド粒子層２３の占有体積が小さくなり過ぎ、ヒートスプレッダ２５全体の熱膨張係数を十分に小さくすることができず、これにより、半導体素子２の下側に形成されたはんだ１０、および絶縁体セラミックス４の双方にクラックが発生した。
また、比較例２では、ダイヤモンド粒子層２３の厚さ、すなわちＣｕ−Ａｇ系合金層２１の厚さが３００μｍより大きい４００μｍであり、ダイヤモンド粒子２２に対して大きくなり過ぎ、該粒子２２の前記両端部を、当該ダイヤモンド粒子層２３の上下に位置する母材２０および回路層２４に突き出すことができず、ヒートスプレッダ２５の熱伝導率を向上させることができなかった。
さらに、比較例３では、前記回路厚さが３ｍｍより大きい４．５ｍｍであり、この場合、前記パワーモジュール構造体の使用時に発生するヒートスプレッダ２５の熱変形が絶縁体セラミックス４や半導体素子２に拘束されることによって、これら２、４および前記はんだ１０に大きな曲げ応力が作用することとなり、はんだ１０および絶縁体セラミックス４の双方にクラックが発生した。
これに対し、実施例１から４に示されるように、ヒートスプレッダ３本体の厚さを０．４ｍｍ以上３ｍｍ以下とし、ダイヤモンド粒子層９の厚さを５０μｍ以上３００μｍ以下とすると、ヒートスプレッダ３の熱伝導率を確実に向上させることが可能になり、前記クラックの発生を防止できることが確認できた。
【００３７】
なお、本実施形態においては、回路層２４は、純度が９９．９９９９％の銅によって形成されているが、これに限られない。例えば、Ａｌ若しくはＡｌ合金、望ましくは純度が９９．９８％以上のＡｌにより回路層２４を形成してもよい。この場合、ヒートスプレッダ２５のダイヤモンド粒子層２３は、Ｃｕ−Ａｇ系合金層２１に代えて、Ａｌ-Ｓｉ系合金層を採用するのが望ましく、またダイヤモンド粒子２２の表面にＡｌ若しくはＡｌ合金をコーティングし、かつＡｌ若しくはＡｌ合金からなる母材２０を採用する必要がある。
ここで、第１の実施形態においても、図１に示される回路層５を純度が９９．９９９９％のＣｕ材を用いて形成してもよい。
また、前記第１、第２実施形態における前記ヒートシンクは、水冷式でも空冷式であってもよく、つまり該ヒートシンク内を流通する冷媒の種類はいずれであってもよい。
さらに、前記第１、第２実施形態では、パワーモジュール構造体として、前記放熱体および前記ヒートシンクの双方が設けられた構成を示したが、これらを設けなくても、少なくとも半導体素子２に熱が留まることは防止することが可能になる。また、前記各実施形態では、前記ヒートシンクを、金属層１２の下面側に設けられた前記放熱体の下面側に配設した構成を示したが、前記放熱体を設けず金属層１２の下面側に直接設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明に係るヒートスプレッダ、絶縁回路基板およびパワーモジュール構造体によれば、発熱体の熱を良好に伝熱することができるため、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態に係る絶縁体回路基板の概略図である。
【図２】図１に示された絶縁回路基板のヒートスプレッダの概略図である。
【図３】第２の実施形態に係る絶縁体回路基板の概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１、３０  絶縁回路基板
２  半導体素子
３、２５  ヒートスプレッダ
４  絶縁体セラミックス
５、２４  回路層
６、２０  母材
７、２１  Ｃｕ−Ａｇ系合金層（Ｃｕ合金層、Ａｌ合金層、Ａｌ−Ｓｉ系合金層）
８、２２  ダイヤモンド粒子
９、２３  ダイヤモンド粒子層
１２  金属層
【図１】
2005183942.tif 000005
【図２】
2005183942.tif 000006
【図３】
2005183942.tif 000007