(57)【要約】【課題】放熱性を向上させるための基板としての熱拡散部材を備えており、かつ、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差による配線電極の反りや剥がれを防止することのできる半導体モジュールを提供すること。【解決手段】配線電極と、上記配線電極上に実装された半導体素子と、上記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体モジュールであって、上記熱拡散部材の形状は平板形状であり、上記熱拡散部材は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなる集合体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記熱拡散部材の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、上記熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高く、上記熱拡散部材には、上記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。【選択図】図１
2017139325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線電極と、
前記配線電極上に実装された半導体素子と、
前記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体モジュールであって、
前記熱拡散部材の形状は平板形状であり、 
前記熱拡散部材は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなる集合体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記熱拡散部材の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、
前記熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高く、
前記熱拡散部材には、前記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられていることを特徴とする、半導体モジュール。
【請求項２】
前記熱拡散部材が、ＣＶＤ法による人造グラファイトからなる請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記配線電極を構成する材料の線膨脹係数と、前記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った前記熱拡散部材の線膨脹係数との差の絶対値が、１ｐｐｍ／Ｋ以下である請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記熱拡散部材の、前記半導体素子が実装される側の主面、又は、前記半導体素子が実装されない側の主面に形成された絶縁層をさらに備える請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁層は、耐熱性エポキシ樹脂とフィラーとの混合材料からなる、請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層は、セラミックからなる、請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記絶縁層は、ポリイミド樹脂からなる、請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記熱拡散部材は、少なくとも一方の主面に、各層状構造体と接合される接合層をさらに備えている請求項１〜７のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項９】
配線電極と、前記配線電極上に実装された半導体素子と、前記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体モジュールの製造方法であって、
炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなり、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が厚さ方向となっている平板形状の集合体を準備する工程と、
前記集合体を加熱することにより前記層状構造体間の層間距離の一部を拡張させて、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域を設ける熱処理工程と、を行うことにより、
平板形状の熱拡散部材を作製する工程を有することを特徴とする、半導体モジュールの製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記熱拡散部材にモールド成形により絶縁層を形成する工程を有する請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
さらに、前記熱拡散部材の前記層間距離拡張領域に絶縁材料を含浸する工程を有する請求項９又は１０に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理工程の前に、前記平板形状の集合体の少なくとも一方の主面に対して接合層を形成する接合層形成工程を行う請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールで用いられる配線基板においては、さらなる大電流化、高密度化、高周波化の要求によりパワーデバイスがＳｉからＳｉＣ／ＧａＮへと置き換わることが予想されている。そして、デバイスの置き換えに伴い、配線基板には高放熱性（高熱伝導性、低熱抵抗性）及び高耐熱性が求められる。
【０００３】
上記要求に応えるため、従来のＰＣＢ基板やＣｕ金属基板に代えてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック基板を用いることが検討されている。
また、特許文献１〜３には、高放熱性を達成するための基板として、グラファイトを用い、かつグラファイトの面方向（ＸＹ面）を厚み方向（Ｚ方向）に配置する構造が開示されている。この構造により、厚み方向（Ｚ方向）の熱伝導性を向上させ、基板の裏面側に位置する空冷、水冷などの冷却システムにシリコーンゲルなどの接合材等を介して熱的に接続することにより放熱性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１２−５３３８８２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２２４５０号公報
【特許文献３】特開２０１２−２４８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高放熱性を有する基板としてアルミナや窒化ケイ素などのセラミック基板を用いた場合、セラミック基板の線膨脹係数がＣｕ配線電極の線膨脹係数よりもかなり小さい。セラミック基板とＣｕ配線電極の線膨張係数の差が大きいために、熱サイクル試験等を行った場合に、基板の反りが発生したり、セラミック基板とＣｕ配線電極との界面に剥がれが生じてしまい、所望の信頼性が得られないことが懸念される。
【０００６】
また、特許文献１〜３の構造では、グラファイト基板の線膨張係数はＣｕ配線電極の線膨張係数よりも大きくなる。この場合も線膨脹係数の相違から、依然として基板の反りが発生することが懸念される。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、放熱性を向上させるための基板としての熱拡散部材を備えており、かつ、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差による配線電極の反りや剥がれを防止することのできる半導体モジュール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】
【０００８】
上記目的を達成するための、本発明の半導体モジュールは、配線電極と、上記配線電極上に実装された半導体素子と、上記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体モジュールであって、上記熱拡散部材の形状は平板形状であり、上記熱拡散部材は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなる集合体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記熱拡散部材の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、上記熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高く、上記熱拡散部材には、上記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体モジュールでは、炭素系材料の面方向が熱拡散部材の厚さ方向となるように配置されているので、熱拡散部材の厚さ方向に沿って高い熱伝導性を発揮することができる。
また、熱拡散部材には、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられている。
層状構造体の層間距離は、通常は各層間で一定であるが、層間距離拡張領域を設けることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱拡散部材の線膨脹係数が低くなる。その結果、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差を小さくすることができて、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
【００１０】
本発明の半導体モジュールでは、上記熱拡散部材が、ＣＶＤ法による人造グラファイトからなることが好ましい。
ＣＶＤ法による人造グラファイトは、炭化水素ガスを高温で熱分解するＣＶＤ法により製造された人造グラファイトである。ＣＶＤ法による人造グラファイトは、不純物が含まれる天然黒鉛と異なり、結晶の均一性が良く不純物が殆ど含まれない(通常は１ｐｐｍ以下）。また、ＣＶＤ法による人造グラファイトは、厚みに関わらず均質な層状構造体の結晶となるので好ましい。
【００１１】
本発明の半導体モジュールは、上記配線電極を構成する材料の線膨脹係数と、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った上記熱拡散部材の線膨脹係数との差の絶対値が、１ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。
上記線膨脹係数の差の絶対値が上記範囲であると、配線電極を構成する材料と熱拡散部材の線膨脹係数がよく一致しているので、配線電極の反りや剥がれをより確実に防止することができる。
【００１２】
本発明の半導体モジュールでは、上記熱拡散部材の、上記半導体素子が実装される側の主面、又は、上記半導体素子が実装されない側の主面に形成された絶縁層をさらに備えることが好ましい。
熱拡散部材の、上記半導体素子が実装される側の主面に絶縁層をさらに備える場合は、絶縁層上に配線電極が形成されることになり、絶縁層を介して、半導体素子からの熱を熱拡散部材に伝えることになる。また、熱拡散部材は絶縁層により半導体素子や配線電極から絶縁されている。
熱拡散部材の、上記半導体素子が実装されない側の主面に絶縁層をさらに備える場合は、配線電極は熱拡散部材上に形成されていてもよいため、半導体素子からの熱が絶縁層を介さずに熱拡散部材に伝わり、面方向（熱拡散部材の主面方向）への熱拡がりにより、高い放熱性が発揮される。
この場合、熱拡散部材は半導体素子や配線電極から絶縁されないので、熱拡散部材の、半導体素子が実装されない側の主面に絶縁層を設けて外部との絶縁を行う。
【００１３】
本発明の半導体モジュールでは、上記絶縁層は、耐熱性エポキシ樹脂とフィラーとの混合材料からなることが好ましい。
耐熱性エポキシ樹脂を用いると耐熱性が高く、また、フィラーを混合することにより絶縁層の線膨脹係数と配線電極を構成する材料の線膨脹係数を整合させることができるので、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
【００１４】
本発明の半導体モジュールでは、上記絶縁層は、セラミックからなることが好ましい。
セラミックを用いると耐熱性が高く、また、薄層の絶縁層を用いても耐電圧を向上させることができる。なお、配線電極とセラミックとの線膨張差による引っ張り応力または圧縮応力は、絶縁層が薄層の場合には比較的小さく、また所定以上の厚みまでは膜厚に依存せず一定なので、その範囲内に設定することが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体モジュールでは、上記絶縁層は、ポリイミド樹脂からなることが好ましい。ポリイミド樹脂を用いると耐熱性を高くすることができる。
【００１６】
本発明の半導体モジュールでは、上記熱拡散部材は、少なくとも一方の主面に、各層状構造体と接合される接合層をさらに備えていることが好ましい。
このような接合層が備えられていると、各層状構造体と接合層が結合することにより層状構造体間の層間距離が固定され、層間距離拡張領域が維持される。
【００１７】
本発明の半導体モジュールの製造方法は、配線電極と、上記配線電極上に実装された半導体素子と、上記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材とを備える半導体モジュールの製造方法であって、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなり、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が厚さ方向となっている平板形状の集合体を準備する工程と、上記集合体を加熱することにより上記層状構造体間の層間距離の一部を拡張させて、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域を設ける熱処理工程と、を行うことにより、平板形状の熱拡散部材を作製する工程を有することを特徴とする。
【００１８】
炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなり、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が厚さ方向となっている平板形状の集合体を加熱すると、層状構造体間の層間距離の一部が拡張されて、層間距離拡張領域が形成される。
このようにして層間距離拡張領域が形成された熱拡散部材を用いることによって、放熱性が高く、配線電極の反りや剥がれを防止することのできる本発明の半導体モジュールを製造することができる。
【００１９】
本発明の半導体モジュールの製造方法は、さらに、上記熱拡散部材にモールド成形により絶縁層を形成する工程を有することが好ましい。
モールド成形を行うことにより、熱拡散部材の周囲の絶縁性が必要な部位を一体的に被覆することができる。
【００２０】
本発明の半導体モジュールの製造方法は、さらに、上記熱拡散部材の上記層間距離拡張領域に絶縁材料を含浸する工程を有することが好ましい。
絶縁材料を層間距離拡張領域に含浸させることによって、熱拡散部材の機械的強度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の半導体モジュールの製造方法では、上記熱処理工程の前に、上記平板形状の集合体の少なくとも一方の主面に対して接合層を形成する接合層形成工程を行うことが好ましい。
接合層を形成した後に熱処理工程を行うと、熱処理工程によって加熱膨張して拡張された層間距離が、熱処理工程後も接合層によって維持されるので層間距離拡張領域が設けられた熱拡散部材を作製する上で好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、放熱性を向上させるための基板としての熱拡散部材を備えており、かつ、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差による配線電極の反りや剥がれを防止することのできる半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、熱拡散部材の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、図２に示す熱拡散部材を拡大して模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、平板形状の集合体を準備する工程を模式的に示す斜視図である。
【図５】図５は、平板形状の集合体に接合層を形成する接合層形成工程を模式的に示す斜視図である。
【図６】図６は、層状構造体間の層間距離の一部を拡張させて層間距離拡張領域を設ける熱処理工程を模式的に示す斜視図である。
【図７】図７は、熱拡散部材にモールド成形により絶縁層を形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、半導体モジュールを製造する工程を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、半導体モジュールを封止する工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、上部熱拡散部材と下部熱拡散部材を接合して熱拡散部材を作成する方法を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の半導体モジュール及びその製造方法について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。
以下において記載する本発明の個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
【００２５】
＜半導体モジュール＞
まず、半導体モジュールの構成の一例について簡単に説明する。
図１は、本発明の半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図である。
半導体モジュール１は、半導体素子１１を備えており、半導体素子１１は配線電極１２上に実装されている。図１における配線電極１２は、導体パターン１２ａとリードフレーム１２ｂとに分けて示しているが、いずれも導体からなる。配線電極１２（リードフレーム１２ｂ）と半導体素子１１は接合材１４ａによって電気的に接合されている。また、導体パターン１２ａとリードフレーム１２ｂも接合材１４ｂによって電気的に接合されている。
【００２６】
半導体モジュール１は、半導体素子１１から発せられる熱を拡散する熱拡散部材２０を備えている。熱拡散部材２０の詳細については後述する。
熱拡散部材２０の、半導体素子１１が実装される側の主面２１には絶縁層１３が形成されており、配線電極１２（導体パターン１２ａ）はこの絶縁層１３の上に形成されている。
また、熱拡散部材２０の、半導体素子１１が実装されない側の主面２２には、接合層２３が設けられている。
絶縁層１３は、熱拡散部材２０の表面のうち接合層２３が設けられた主面２２以外の面を被覆している。
【００２７】
上述した半導体モジュール１は、熱拡散部材２０の接合層２３が底面から露出するようにして封止材１７で封止されている。
そして、半導体モジュール１には、熱拡散部材２０の接合層２３に対してシリコーングリース等の接合材１６を介して冷却システム１５が接合されている。
【００２８】
＜熱拡散部材＞
以下、本発明の半導体モジュールで使用する熱拡散部材について詳細に説明する。
図２は、熱拡散部材の構造を模式的に示す断面図である。
図２に示す熱拡散部材２０は、平板形状である。本明細書における平板形状とは、相対的に面積が大きい面である主面が上面と底面として対向して存在している形状を意味している。また、平板形状は、部材の厚さ方向がどちらの方向であるかが疑義なく定まる方向であるともいえる。例えば、主面の面積が主面でない面積の５倍以上である形状であることが好ましい。
また、平板形状を構成する主面は平面であることが好ましいが、完全な平面でなくてもよく、半導体モジュール内で問題なく使用することのできる程度のゆがみや反りを有する面であってもいい。
図２に示す熱拡散部材２０は主面２１と主面２２を有しており、主面２１と主面２２の距離が熱拡散部材の厚さに相当する。図２には熱拡散部材の厚さ方向を両矢印Ａで示している。熱拡散部材の厚さは、熱拡散部材の機械的強度を考慮して０．１ｍｍ以上であることが好ましく、熱拡散部材の厚さ方向の熱抵抗を考慮して２ｍｍ以下であることが好ましい。また、０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２９】
熱拡散部材は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなる集合体である。炭素系材料はグラファイトを含んでいる。グラファイトとしては天然グラファイト及び人造グラファイトが挙げられ、いずれも六角形に並び網目状の面構造を有する炭素原子がファンデルワールス力により層状に集合した層状構造体の結晶（集合体）である。
また、熱拡散部材は、ＣＶＤ法による人造グラファイトからなることが好ましい。
ＣＶＤ法による人造グラファイトは、炭化水素ガスを高温で熱分解するＣＶＤ法により製造された人造グラファイトである。ＣＶＤ法による人造グラファイトは、不純物が含まれる天然グラファイトと異なり、結晶の均一性が良く不純物が殆ど含まれない(通常は不純物量が１ｐｐｍ以下である）。また、人造グラファイトとしてはポリイミドシートを高温で熱分解してグラファイト化させることにより製造されたものもあるが、製造工程におけるガス抜きやプレスの影響により１００μｍ以上の厚いシートにおいては熱伝導率が低くなる傾向がある。一方、ＣＶＤ法による人造グラファイトは、厚みに関わらず均質な層状構造体の結晶となるので好ましい。
ここで、熱拡散部材として用いられるグラファイトとしては、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ：Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ）を用いることが好ましい。具体的には米国ＭＩＮＴＥＱ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴ」を用いることが好ましい。
【００３０】
図２には、層状構造体２４を細い実線で示しており、図２中で両矢印Ｂで示す方向に層状構造体が多層構造を形成している。そして、各層状構造体２４の平面形状が広がる方向である面方向が、熱拡散部材２０の厚さ方向となっている。
炭素系材料からなる層状構造体が多層構造を形成している場合、層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡは高い値となり、多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢは低い値となる。
【００３１】
層状構造体の面方向が、熱拡散部材の厚さ方向と同じ方向となっていると、熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率は層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡと同じとなり、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢよりも高くなる。
そして、半導体モジュール内に配置された熱拡散部材は、熱拡散部材の一方の主面側に配置された半導体素子から発せられた熱を熱拡散部材の厚さ方向に沿って熱拡散部材のもう一方の主面側に配置された冷却システム側へ高い熱伝導率をもって熱伝導させることができるので、放熱性に優れる。
【００３２】
熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率λＡは、層状構造体と後述する層間距離拡張領域とを総合的に設計した場合に、Ｃｕの熱伝導率（３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高いことが好ましく、層状構造体自体の同じ方向に沿った熱伝導率と同等であることが好ましい。具体的には４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１７００Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。また、熱拡散部材の、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢは、層状構造体と後述する層間距離拡張領域とを総合的に設計した場合に、空気の熱伝導率（０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高いことが好ましく、層状構造体自体の同じ方向に沿った熱伝導率と同等であることが好ましい。具体的には０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。
熱拡散部材の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により、装置としては例えばＬＦＡ４６７（ＮＥＴＺＳＣＨ製）を用いて測定することができる。
【００３３】
図３は、図２に示す熱拡散部材を拡大して模式的に示す断面図である。
図３には、熱拡散部材を構成する各層状構造体を、層状構造体を構成する炭素原子の並び方と共に示しており、それぞれ実線で囲んだ層状構造体２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄについて、各層状構造体を構成する炭素原子（図３中、丸で囲んだ“Ｃ”で示す）が厚さ方向に沿って並んでいる。
【００３４】
層状構造体間の層間距離は、層状構造体が多層構造を形成する方向（図３中、両矢印Ｂで示す方向）に沿った層間距離であり、層状構造体２４ａと層状構造体２４ｂの間の距離は、図３中に両矢印Ｄａｂで示される距離である。Ｄａｂは３．３５４Å以上であることが好ましく、３．３５６Å以下であることが好ましい。
本発明の半導体モジュールで使用する熱拡散部材には、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きくなっている領域が存在しており、この領域が層間距離拡張領域である。
図３においては、層状構造体２４ｃと層状構造体２４ｄの間の層間距離（図３中、両矢印Ｄｃｄで示される距離）が大きくなっており、層状構造体２４ｃと層状構造体２４ｄの間の層間の領域を層間距離拡張領域２５として示している。Ｄｃｄは０．１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以下であることが好ましい。なお、Ｄｃｄは後述する熱処理工程の熱処理条件によって大きく変化させることができる。
【００３５】
層間距離拡張領域以外の領域、すなわち、層状構造体間の層間距離が相対的に小さくなっている領域では、複数の層状構造体が隣接して層状構造体ブロックを構成している。
図３では、１つの層状構造体ブロック２６に３層の層状構造体が含まれていることとして模式的に示しているが、層状構造体ブロック２６には、通常はより多くの層状構造体が含まれている。１つの層状構造体ブロック２６は後述する熱処理工程により５０μｍ以上のサイズ（図３のＢ方向の距離）を有していることが好ましく、８０μｍ以下のサイズ（図３のＢ方向の距離）を有していることが好ましい。
また、１つの層状構造体ブロック２６には数万層以上の層状構造体が含まれていることが好ましく、数十万層以上の層状構造体が含まれていることも好ましい。なお、層状構造体ブロック２６のサイズは後述する熱処理工程の熱処理条件によって大きく変化させることができる。
言い換えると、層間距離拡張領域は、複数の層状構造体からなる層状構造体ブロック間の空間であるともいえる。
【００３６】
各層状構造体間の層間距離は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。
【００３７】
本発明の半導体モジュールで使用する熱拡散部材には層間距離拡張領域が設けられているが、熱拡散部材の線膨脹係数、特に、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数は、層間距離拡張領域を設けることによって変化する。
熱拡散部材の線膨脹係数は、層間距離拡張領域が設けられることによって、層間距離拡張領域が設けられていない熱拡散部材に比べて低くなる。層間距離拡張領域が設けられている熱拡散部材の、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数は、層状構造体と層間距離拡張領域とを総合的に設計した場合に、配線電極自体の線膨張係数（例えばＣｕの１７ｐｐｍ／Ｋ）と同等であることが好ましく、後述する配線パターンやリードフレームの形状、厚み等を考慮した配線電極の面方向の線膨張係数と同等であることがさらに好ましい。
具体的には、熱拡散部材に層間距離拡張領域が設けられることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数（グラファイトの場合２５ｐｐｍ／Ｋ）と、層間距離拡張領域の線膨張係数（グラファイトの場合実質的に０ｐｐｍ／Ｋ）とを総合的に設計することで、熱拡散部材と上記配線電極との線膨脹係数との差の絶対値が１ｐｐｍ／Ｋ以下となるように設計することが好ましい。
熱拡散部材及び配線電極を構成する材料の線膨脹係数は、線膨張係数測定装置（ＴＭＡ）により測定することができる。
【００３８】
熱拡散部材の少なくとも一方の主面には、各層状構造体と接合される接合層をさらに備えていることが好ましい。図２及び図３には熱拡散部材２０の主面２２に接合層２３を設けた様子を示している。
接合層２３は、金属又はその合金であることが好ましく、金属としてはＴｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。特にＴｉ（線膨張係数８ｐｐｍ／Ｋ）のような活性金属であることが好ましい。Ｔｉを用いた場合には、後述する熱処理工程において層状構造体との間にチタンカーバイド（ＴｉＣ）が形成されて強固に接合されるので好ましい。
接合層が備えられていると、各層状構造体と接合層が結合することにより層状構造体間の層間距離が固定され、層間距離拡張領域が維持される。
また、熱拡散部材に接合層と層間距離拡張領域とが形成されることにより、接合層が図２のＡ方向の下方から力を加えられた場合に、接合層を板バネのように上に凸に湾曲させることが可能である。このような湾曲可能な構造を有することで、配線電極と熱拡散部材との線膨張の差による変形が生じた場合でも、熱拡散部材による応力緩和が可能となる。
【００３９】
＜半導体モジュールを構成する熱拡散部材以外の部材＞
以下、本発明の半導体モジュールで使用する熱拡散部材以外の部材について詳細に説明する。
半導体素子１１としては、整流ダイオード、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＳｉＣ−ＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴ、Ｇａ２Ｏ３−ＦＥＴなどのパワーデバイスを好ましく用いることができる。
【００４０】
絶縁層１３としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などの高分子樹脂、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックを使用することができる。また、上記高分子樹脂にセラミックや金属のフィラーを添加した混合材料であることも好ましい。
上記混合材料の中でも、耐熱性エポキシ樹脂にフィラーを混合した材料がより好ましく、耐熱性エポキシ樹脂にアルミナを混合した材料がさらに好ましい。
なお、本明細書における耐熱性エポキシ樹脂とは、エポキシ樹脂であってガラス転移温度（Ｔｇ）が１７０℃以上、好ましくは２００℃以上、さらに好ましくは２５０℃以上である樹脂を意味する。
【００４１】
配線電極１２としての導体パターン１２ａ及びリードフレーム１２ｂは、ＣｕまたはＣｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金などに、表面にＮｉめっき／Ａｕめっきなどを施して形成されていることが好ましい。Ｃｕの線膨張係数は約１７ｐｐｍ／Ｋである。Ａｌの線膨張係数は約２３ｐｐｍ／Ｋである。
本発明の半導体モジュールでは、熱拡散部材に層間距離拡張領域が設けられることによって、熱拡散部材の層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数と、配線電極を構成する材料の線膨脹係数との差の絶対値が１ｐｐｍ／Ｋ以下となるようにすることが好ましい。
【００４２】
接合材１４ａは、半導体素子１１をリードフレーム１２ｂに電気的に接合させるものであり、好ましい材質としてはＰｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ａｕ合金、Ｚｎ合金などの高融点半田合金や融点変動材料（ＴＬＰ）、導電性樹脂やＡｇナノ粒子、Ｃｕナノ粒子などの焼結接合材料等が挙げられる。
接合材１４ｂは、導体パターン１２ａとリードフレーム１２ｂとを電気的に接合させるものであり、接合材１４ａと同様の接合材であることが好ましい。
【００４３】
封止材１７は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などの高分子樹脂、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックを使用することができる。また、上記高分子樹脂にセラミックや金属のフィラーを添加した混合材料であることも好ましい。上記混合材料の中でも、耐熱性エポキシ樹脂にフィラーを混合した材料がより好ましく、耐熱性エポキシ樹脂にアルミナを混合した材料がさらに好ましい。
【００４４】
接合材１６は、半導体モジュール１と冷却システム１５とを接合させるものであり、高耐熱性の高分子樹脂を含むことが好ましい。例えばシリコーングリースを含むことが好ましい。また接合材１４ａ、１４ｂの好ましい材料として挙げた高融点半田合金、融点変動材料、導電性樹脂、および焼結接合材料等の材料であってもよい。
【００４５】
冷却システム１５としては、空冷システムおよび水冷システムが挙げられる。空冷システムとしてはヒートシンクや放熱板が用いられ、走行風による自走式空冷や強制空冷が用いられる。また水冷システムは内部に循環水路が形成されており、図示しないポンプで冷却水が循環されている。一般に、高冷却が必要な場合は水冷システムが用いられるが、本発明の熱拡散部材を用いることで空冷システムにすることができれば、軽量化、低コストの面でもより好ましい。
【００４６】
＜半導体モジュールの製造方法＞
本発明の半導体モジュールの製造方法は、平板形状の熱拡散部材を作製する工程を有する。まず、熱拡散部材を作製する工程について説明する。
はじめに、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなり、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が厚さ方向となっている平板形状の集合体を準備する。
図４は、平板形状の集合体を準備する工程を模式的に示す斜視図である。
図４の左側に示すように、層状構造体２４が多層構造を形成してなり、層状構造体２４の面方向がＸＹ方向に平行になるように配列された層状構造体の多層体４０を準備する。
そして、図４の右側に示すように、層状構造体の多層体４０を９０°回転させて、層状構造体２４の面方向がＺ方向（厚さ方向）に平行になるようにして、平板形状の集合体３０を準備する。
【００４７】
図５は、平板形状の集合体に接合層を形成する接合層形成工程を模式的に示す斜視図である。
次に、図５に示すように、平板形状の集合体３０の一方の主面３２に接合層２３を形成する。接合層２３の形成は、薄板状の金属シートを用いたり、金属ペーストを印刷したりすることにより行うことが好ましい。特に薄板状の金属シートを用いる場合は、比較的肉厚の金属シートを用意することができるので、後述する熱処理工程において層状構造体と接合層との線膨張係数の差が大きい場合でも接合層が途切れたりせず維持されるので好ましい。
上述したとおり、接合層としてはＴｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
接合層の厚みは５μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以下であることが好ましい。機械的強度を考慮して、１０μｍ以上であることがより好ましい。
【００４８】
図６は、層状構造体間の層間距離の一部を拡張させて層間距離拡張領域を設ける熱処理工程を模式的に示す斜視図である。
熱処理工程では、図５に示すような接合層２３を設けた平板形状の集合体３０に対して、真空炉で熱処理を行う。
熱処理を行うことにより、平板形状の集合体３０を加熱膨脹させるとともに、層状構造体と接合層とを液相拡散接合させる。
熱処理は６００℃以上で行うことが好ましく、９００℃以下で行うことが好ましい。７５０℃以上で行うことがより好ましく、８８０℃以下で行うことがより好ましい。
熱処理温度は接合層の溶融開始温度や所望の寸法等により適宜設定される。
また、熱処理時間（最高温度での保持時間）は、０．５時間以上であることが好ましく、２℃時間以下であることが好ましい。
熱処理時間は所望の寸法等により適宜設定される。
また、集合体を所定形状の治具に収容し、かつ上下方向に加圧された状態で熱処理を行うことが好ましい。
【００４９】
熱処理により、平板形状の集合体３０は、層状構造体２４が多層構造を形成する方向（図６中、両矢印Ｂで示す方向）に大きく膨脹する。
これは、層状構造体２４が多層構造を形成する方向の線膨脹係数が、他の方向の線膨脹係数と比べて大きいためである。この膨張率は、膨張前の長さをＬ１、膨張後の長さをＬ２とすると、１．０１×Ｌ１＜Ｌ２＜１．１×Ｌ１とすることが機械的強度を維持する上で好ましい。
ちなみに、グラファイトについては層状構造体２４が多層構造を形成する方向の線膨脹係数は２５ｐｐｍ／Ｋであり、他の方向の線膨張係数が０．６ｐｐｍ／Ｋである。
【００５０】
層状構造体２４の熱膨張は、層状構造体間で均一に生じるのではなく、複数の層状構造体毎に、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きくなっている領域が生じる。このような熱膨脹の結果、層間距離拡張領域２５が形成され、また、層状構造体ブロック２６が形成される。そして、層間距離拡張領域２５が形成された結果、層状構造体２４が多層構造を形成する方向の寸法が増大する。
なお、熱処理温度、熱処理時間、集合体を収容する治具の寸法等を変更することにより、寸法の増大の程度を適宜変更できる。
この熱処理によって、本発明の半導体モジュールで使用する熱拡散部材２０が作製される。
【００５１】
熱処理により層間距離拡張領域２５は複数個形成されるが、層間距離拡張領域２５はその大きさが概ね均等になるように形成される。図６には各層間距離拡張領域の大きさを両矢印Ｄｃｄで示している。
また、接合層２３が形成されていることにより、熱処理後に熱拡散部材２０の温度が室温に戻ったとしても層状構造体２４間の層間距離が固定され、層間距離拡張領域２５が維持される。
このような層間距離拡張領域２５を形成することによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱拡散部材の線膨脹係数を調整することができる。特に、熱拡散部材の線膨脹係数を低くすることによって配線電極との線膨脹係数差を小さくすることができる。その結果、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
なお、層間距離拡張領域２５は均等に配置または均等な大きさで形成される必要はなく、不均等な配置または不均等な大きさであってもよい。最終的に所望の線膨張係数が得られればよい。
【００５２】
熱拡散部材には、モールド成形により絶縁層を形成する工程を行うことが好ましい。
図７は、熱拡散部材にモールド成形により絶縁層を形成する工程を模式的に示す断面図である。
熱拡散部材２０を覆うようにモールド成形を行うことにより、絶縁層１３を形成する。絶縁層１３は熱拡散部材２０の一方の主面２１を被覆し、また、熱拡散部材２０の主面ではない面（側面)を被覆する。また、熱拡散部材のもう一方の主面２２は絶縁層１３で被覆されず、接合層２３が露出する。
【００５３】
また、モールド成形の際に、熱拡散部材の層間距離拡張領域に絶縁材料を含浸してもよい。特に、真空モールド成形を行うと層間距離拡張領域に絶縁材料が含浸されやすい。絶縁材料を層間距離拡張領域に含浸させることによって、熱拡散部材の機械的強度を向上させることができる。
なお、上述では層間距離拡張領域を形成する方法として、熱拡散部材に熱処理工程を行っているがその他の方法も可能である。例えば、層状構造体の層間にＬｉイオンなどの金属イオンをインターカレーションして層間距離拡張領域を形成する方法や、硫酸／硝酸など酸による化学処理で層間距離拡張領域を形成する方法や、パラフィンなどの線膨張係数の大きな絶縁材料を層間に含浸させて層間距離拡張領域を形成する方法なども可能である。
【００５４】
図８は、半導体モジュールを製造する工程を模式的に示す断面図である。
作製した熱拡散部材２０に形成した絶縁層１３の上に、図示しない導体を加圧接合した後、エッチングにより配線電極１２（導体パターン１２ａ）を形成する。導体パターン１２ａに接合材１４ｂにより配線電極１２（リードフレーム１２ｂ）を接合するとともに、接合材１４ａにより半導体素子１１を実装する。
上記工程により半導体モジュール１を製造することができる。
【００５５】
図９は、半導体モジュールを封止する工程を模式的に示す断面図である。
上述の工程により製造した半導体モジュール１に対して、封止材１７によりモールド成形を行う。モールド成形された半導体モジュール１の底面には熱拡散部材２０の接合層２３が露出しており、この接合層にシリコーングリース等の接合材を介して冷却システムを接合することによって、図１に示すような、冷却システム１５が接合された半導体モジュール１となる。
【００５６】
＜半導体モジュールの第２実施形態＞
図１０は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図１０に示す半導体モジュール２は、熱拡散部材の構成が図１に示す半導体モジュール１の熱拡散部材２０とは異なる。その他の構成は図１に示す半導体モジュール１と同様である。
半導体モジュール２が備える熱拡散部材１２０は、熱拡散部材の厚さ方向の中間に中間接合層１２３を備えている。また、中間接合層１２３の上下にそれぞれ上部熱拡散部材１２０ａ、下部熱拡散部材１２０ｂが位置しており、下部熱拡散部材１２０ｂの底面には下部接合層１２４が形成されている。
【００５７】
熱拡散部材１２０は、２つの熱拡散部材（上部熱拡散部材１２０ａ、下部熱拡散部材１２０ｂ）が、中間接合層１２３により接合されたものであるともいえる。
このような熱拡散部材は、例えば以下のような方法により製造することができる。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、上部熱拡散部材と下部熱拡散部材を接合して熱拡散部材を作成する方法を模式的に示す断面図である。
始めに、図１１（ａ）に示すように、一方の主面２２に接合層２３が設けられた熱拡散部材である上部熱拡散部材１２０ａ、下部熱拡散部材１２０ｂを準備し、それぞれの接合層２３同士が向かい合うように配置する。
上部熱拡散部材１２０ａ、下部熱拡散部材１２０ｂとしては、図２に示す熱拡散部材２０と同様の構成のものを好適に使用することができる。
そして、図１１（ｂ）に示すように上部熱拡散部材１２０ａ、下部熱拡散部材１２０ｂの接合層２３を加圧接合して中間接合層１２３を形成する。この接合により熱拡散部材１２０が作製される。熱拡散部材１２０は、一方の主面１２１ともう一方の主面１２２を備えた平板形状であり、さらに、図１１（ｃ）に示すように、その主面１２２に下部接合層１２４を形成してもよい。下部接合層１２４は、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜方法によるＮｉ／Ａｕの薄膜層であることが好ましく、接合材を介して冷却システムと接合するために形成されることが好ましい。下部接合層１２４は図２に示す熱拡散部材２０における接合層２３と同様にすることができる。
なお、上記の上部熱拡散部材１２０ａと下部熱拡散部材１２０ｂとしてはすでに層間距離拡張領域が形成されたものを用いているが、上部熱拡散部材１２０ａと下部熱拡散部材１２０ｂとの間に接合層を配置し、熱処理により接合させてもよい。
【００５８】
熱拡散部材１２０のように、中間接合層１２３を熱拡散部材の厚さ方向の中間に設けることにより、熱拡散部材の機械的強度を向上させることができる。
【００５９】
＜半導体モジュールの第３実施形態＞
図１２は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図１２に示す半導体モジュール３は、絶縁層と配線電極の構成が図１に示す半導体モジュール１とは異なる。その他の構成は図１に示す半導体モジュール１と同様である。
半導体モジュール３は、半導体素子１１を備えており、半導体素子１１の一方主面側には、コレクタ電極１２ｃ（配線電極１２）が接合材１４ｃを介して電気的に接合されている。また、半導体素子１１の他方主面側には、エミッタ電極１２ｄ（配線電極１２）とゲート電極１２ｅ（配線電極１２）が接合材１４ｄ、接合材１４ｅを介して電気的に接合されている。熱拡散部材２０の、半導体素子１１が実装される側の主面２１は、接合材１４ｆを介してコレクタ電極１２ｃと電気的に接合されている。
また、熱拡散部材２０の、半導体素子１１が実装されない側の主面２２には接合層２３が設けられている。さらに接合層２３の、熱拡散部材２０と反対側の主面には絶縁層１３が設けられている。
また、封止材１７は、絶縁層１３が底面から露出するように半導体モジュール３を封止している。
そして、半導体モジュール３は、接合材１６を介して冷却システム１５と接合されている。
なお、図１２では、絶縁層１３は封止材１７により半導体モジュール３の内部に一体化されているが、絶縁層１３を半導体モジュール３とは別体として設けてもよい。
上述した半導体モジュール３は、熱拡散部材２０の、半導体素子１１が実装されない側の主面２２に絶縁層１３を備えるため、コレクタ電極１２ｃは熱拡散部材２０上に形成されてもよいため、半導体素子１１からの熱が絶縁層１３を介さずに熱拡散部材２０に伝わり、面方向（熱拡散部材の主面方向）への熱拡がりにより、高い放熱性が発揮される。
【００６０】
＜実施例＞
（熱拡散部材の製造）
ＣＶＤ法により製造された人造グラファイトを準備し、これを、層状構造体の面方向が厚さ方向になるような形状に加工して、層状構造体が多層構造を形成する方向（Ｘ方向）の寸法が４０ｍｍ、奥行き方向（Ｙ方向）２０ｍｍ、厚さ方向（Ｚ方向）１ｍｍの平板形状の集合体とした。
この平板形状の集合体の一方の主面にＴｉからなる２０μｍ厚の金属シートを配置した。
【００６１】
続いて集合体を所定の治具に入れて真空炉内で８００℃、１時間の熱処理を行い、熱拡散部材を製造した。
冷却後の集合体（熱拡散部材）の寸法は、Ｘ方向４１ｍｍ、Ｙ方向２０ｍｍ、Ｚ方向１ｍｍであり、Ｘ方向に２．５％加熱膨脹していた。このことから、層間距離拡張領域が形成されていることを確認した。
【００６２】
製造した熱拡散部材につき、熱伝導率測定装置としてＬＦＡ４６７（ＮＥＴＺＳＣＨ製）を用いて、熱拡散部材の厚さ方向に沿った熱伝導率λＡ及び層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢを測定したところ、λＡ＝１０００Ｗ／ｍ・Ｋ、λＢ＝１．０Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００６３】
製造した熱拡散部材につき、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数を測定したところ、１６．５ｐｐｍ／Ｋであり、配線電極として好ましく使用される材料であるＣｕの線膨脹係数１７ｐｐｍ／Ｋに類似した値となっていた。
【００６４】
（導体パターンの形成、並びに、反り及び剥がれの検討）
製造した熱拡散部材に対して、モールド成形により、耐熱性エポキシ樹脂にアルミナを混合してなる絶縁層を形成し、絶縁層の上に、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿って延びる導体パターンであるＣｕ導体パターンを形成した。
このようにして作製した導体パターン付き熱拡散部材につき、２００℃への加熱と−５５℃への冷却を１００回繰り返すヒートサイクル試験を行い、導体パターンに反りや剥がれが生じているかを確認したところ、反りや剥がれは生じていなかった。
【符号の説明】
【００６５】
１、２、３  半導体モジュール
１１  半導体素子
１２  配線電極
１２ａ  導体パターン
１２ｂ  リードフレーム
１２ｃ  コレクタ電極
１２ｄ  エミッタ電極
１２ｅ  ゲート電極
１３  絶縁層
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１６  接合材
１５  冷却システム
１７  封止材
２０、１２０  熱拡散部材
２１、２２、１２１、１２２  熱拡散部材の主面
２３  接合層
２４  層状構造体
２５  層間距離拡張領域
２６  層状構造体ブロック
３０  平板形状の集合体
３１、３２  平板形状の集合体の主面
４０  層状構造体の多層体
１２０ａ  上部熱拡散部材
１２０ｂ  下部熱拡散部材
１２３  中間接合層
１２４  下部接合層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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