(57)【要約】【課題】接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体の製造方法を提供する。【解決手段】放熱構造体は、ヒートシンク２１の上に、溶射法（コールドスプレー法）によって形成された溶射金属層２８とを備えている。溶射法を用いて、溶射金属層２８を形成した後で、溶射金属層２８中の欠陥を低減するための熱処理を行う。熱処理によって再結晶が進行することで、結晶粒が大結晶粒に成長して結晶粒界が低減するとともに、原子空孔、転位などの格子欠陥も低減される。結晶粒界の界面におけるフォノン散乱の減少や、格子振動の非調和性の減少により、溶射金属層２８の熱伝導度が向上する。【選択図】図２
2009032996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク上に、少なくとも１つの金属を含む溶射金属層を形成する工程（ａ）と、
前記溶射金属層中の欠陥を低減するための熱処理を行う工程（ｂ）と、
を含む放熱構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の放熱構造体の製造方法において、
前記ヒートシンクは、フィン部を有している、放熱構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、金属間化合物の生成を抑制する条件で行われる、放熱構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の放熱構造体の製造方法において、
前記工程（ａ）では、アルミニウムを主成分とするヒートシンクの上に銅を主成分とする溶射金属層を形成し、
前記工程（ｂ）は、１５０℃〜５５０℃の範囲から選ばれる温度条件で行われる、放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、半導体チップ等の発熱に対する冷却機能を有する放熱構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスとしての半導体素子の発熱を放出するための放熱構造体として、アルミニウムやアルミニウム合金からなるヒートシンクを備えたものが一般に採用されている。ヒートシンクには、フィンが設けられていることが多く、放熱効率を高めるように工夫されている。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクに銅または銅合金からなる銅部材を設けたものが知られている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、銅部材の接合面に銀からなる金属層を形成しておいて、この金属層とアルミニウムヒートシンクとをろう付けすることにより、Ａｌ−Ａｇ金属間化合物を形成して、高い接合強度を実現する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、５００℃以上の温度でろう付けするために、銅とアルミニウムとの熱膨張率差によって冷却後にそりが生じるおそれがあった。また、接合の信頼性を確保するために、銅とアルミニウムとの拡散反応を防止するために銀からなる金属層を設けているので、製造コストが高くつくという不具合があった。
【０００５】
本発明の目的は、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の放熱構造体の製造方法は、ヒートシンク上に溶射金属層を形成した後に、溶射金属層中の欠陥を低減するための熱処理を行う方法である。
【０００７】
この方法により、比較的低温での処理である溶射処理によって形成された溶射金属層と、ヒートシンクとの熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、Ａｇ等の高価な材料を用いる必要がないので、製造コストが比較的安価である。
一方、溶射金属層の熱伝導度が、その金属本来の熱伝導度よりも小さくなる現象も生じる。その原因は、多数の粒界の存在や、溶射金属層を形成する際に生じた欠陥、特に、原子空孔，転位、双晶などの格子欠陥の存在によると考えられる。
そこで、溶射金属層を形成した後の熱処理により、溶射金属層を形成する際に生じた欠陥、特に、原子空孔，転位、双晶などの格子欠陥が低減すると共に、溶射金属層の再結晶によって粒界も低減される。したがって、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、熱伝導度の良好な放熱構造体が得られる。
【０００８】
その場合、ヒートシンクに、フィン部を設けることにより、放熱機能の拡大を図ることができる。
【０００９】
熱処理が、金属間化合物の生成を抑制する条件で行われることにより、溶射金属層とヒートシンクとの界面における接合強度が低下するのを抑制することができ、接合信頼性の高い放熱構造体を得ることができる。
【００１０】
アルミニウムを主成分とするヒートシンクの上に銅を主成分とする溶射金属層を形成する場合には、熱処理を１５０℃〜５５０℃の範囲から選ばれる温度条件で行うことにより、金属間化合物の生成を抑制しつつ、欠陥を低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の放熱構造体の製造方法によると、接合の信頼性を保持しつつ、安価で熱伝導度の良好な放熱構造体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
−放熱構造体の構造−
図１は、実施の形態１に係る放熱構造体Ａの断面図である。本実施の形態の放熱構造体Ａは、平板部２１ａおよびフィン部２１ｂを有するヒートシンク２１と、平板部２１ａの上に形成された溶射金属層２８とを備えている。フィン部２１ｂは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されているが、フィン部２１ｂは必ずしも必要ではない。
【００１３】
本実施の形態では、ヒートシンク２１は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金（Ａｌ合金）を用いた押し出し成形によって形成されている。ただし、ダイキャスト成形を利用してもよい。
本実施の形態においては、ヒートシンク２１の平面部２１ａの厚みは４mm程度であり、フィン部２１ｂのフィン長さは約１５ｍｍ程度であり、溶射金属層２８の厚みは１ｍｍ程度である。
【００１４】
本実施の形態では、溶射金属層２８は、銅（Ｃｕ）または銅合金（Ｃｕ合金）からなり、コールドスプレー法を用いて形成されている。後述するように、コールドスプレー法を用いて形成された溶射金属層２８は、比較的低温（数百℃）で形成されるので、ＡｌまたはＡｌ合金からなるヒートシンク２１との熱膨張率の差があっても、実用的に問題となる程の大きな反りを生じることがない。また、コールドスプレー法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されている。そして、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。
【００１５】
ヒートシンク２１は、Ａｌ，Ａｌ合金，ＣｕまたはＣｕ合金によって構成されていることが好ましい。後述するように、ヒートシンク２１は押し出し成形によって形成することにより、製造コストの低減を図ることができるが、これらの材料は押し出し成形が可能であり、しかも熱伝導率が高いので、放熱構造体Ａのヒートシンクには好適な材料である。
【００１６】
−放熱構造体の製造方法−
図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱構造体Ａの製造工程を示す斜視図である。図２（ａ）に示す工程では、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体２１ｘを形成する。ヒートシンク連続体２１ｘは、平板部２１ａとフィン部２１ｂとを有している。ＡｌまたはＡｌ合金に代えて、熱伝導率がより高いＣｕまたはＣｕ合金を用いてもよいが、ＡｌまたはＡｌ合金を用いた方が、ピッチの小さいフィン部２１ｂを形成することができる利点がある。
【００１７】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、コールドスプレー法を用いて、ＣｕまたはＣｕ合金からなる溶射金属層２８をヒートシンク連続体２１ｘの上に形成する。図３は、コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。コールドスプレー装置６０は、上方から粒子が投入されるホッパー６１と、圧縮空気を加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、配管６４，６５とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、ヒートシンク連続体２１ｘが設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム，窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。
【００１８】
ホッパー６１に被膜材料であるＣｕまたはＣｕ合金の粒子（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５から送り込まれた圧縮空気はヒータ６２で３００〜５００℃に熱されて、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で加熱圧縮空気と粒子とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。粒子は、５００ｍ／ｓ以上の高速で、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、溶射金属層２８が形成される。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、熱処理を行なって、溶射金属層２８中の欠陥を低減する。その後の工程の図示は省略するが、ヒートシンク連続体２１ｘを切断して、ヒートシンク２１および溶射金属層２８からなる放熱構造体Ａを形成する。なお、先にヒートシンク連続体２１ｘを切断してから、熱処理を行なってもよい。
【００２０】
本実施の形態の放熱構造体Ａの製造方法によると、溶射金属層２８の形成工程で、コールドスプレー法などの溶射法を採用することにより、比較的低温で溶射金属層を形成することができる。その際、ヒータ６２で３００〜４００℃に加熱された圧縮空気を用いるものの、空気の膨張によって急激に冷却されるので、ヒートシンク連続体２１ｘに衝突する際には、室温〜１００℃の低温になっているからである。したがって、加工後にヒートシンク２１と溶射金属層２８との熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、多数のヒートシンク２１を含むヒートシンク連続体２１ｘの上に、溶射金属層２８を形成するので、製造工程が簡素化されて、製造コストの低減を図ることができる。
【００２１】
一方、このような溶射法で形成された溶射金属層２８をパワーモジュールの放熱構造体Ａの一部として用いると、冷却性能があまり高くならないという現象も生じた。その原因は、溶射法では、金属粒子を低温状態で溶着させるために、結晶粒が小さく（つまり、粒界が多く）、かつ、金属粒子が基材に衝突する際に受ける衝撃力によって、原子空孔や転位などの結晶欠陥も多いことに起因すると考えられる。一般に、結晶粒界では、フォノン散乱を受けるために、熱伝導度が低下することが知られており、格子欠陥によって格子振動の非調和性が増大することで、熱伝導度が低下することが知られている。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、溶射金属層２８を形成した後で熱処理を行う。この熱処理によって再結晶が進行することで、結晶粒が大結晶粒に成長して結晶粒界が低減するとともに、原子空孔、転位などの格子欠陥も低減される。その結果、結晶粒界の界面におけるフォノン散乱の減少や、格子振動の非調和性の減少により、溶射金属層２８の熱伝導度が向上することになる。
【００２３】
図４は、純銅に各種元素を添加したときの再結晶温度を示すグラフである。同図に示すように、純銅の再結晶温度は１５０℃であり、他の元素を０．０１％程度添加した場合には、もっとも再結晶温度が高いものでも３００℃程度である。たとえば、スズ（Ｓｎ）を添加した場合は、０．２％程度添加しても、再結晶温度は３００℃をやや超える程度である。したがって、熱処理温度が１５０℃以上であれば、溶射金属層２８中の結晶粒の再結晶を進行させることが可能である。ただし、一般にはＣｕに、図４に示される各種元素を０．３％程度まで添加することを考慮すると、２５０℃以上であることが好ましい。保持時間は、加熱温度によって異なり、低温であれば長時間加熱状態を保持する必要があり、高温になるほど、保持時間は短くて済む。たとえば、３００℃では３時間程度保持することにより、溶射金属層２８の再結晶を進行させて、熱伝導度を改善させることができる。したがって、１５０℃で加熱する場合には、より長時間の加熱を行う必要がある。
【００２４】
一方、ヒートシンク２１−溶射金属層２８の界面領域で、ヒートシンク２１を構成するＡｌと、溶射金属層２８を構成するＣｕとの反応による金属間化合物が生成されると、界面領域の強度が弱くなり、溶射金属層２８が一部または全域で剥離するおそれがある。そこで、金属間化合物の生成を抑制するための熱処理温度の上限について説明する。
【００２５】
一般に、拡散係数をＤ、拡散距離をＬとすると、下記式（１），（２）
Ｄ＝Ｄ0・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）                            （１）
Ｌ＝√（Ｄ・ｔ）                                          （２）
の関係式が成り立つ。ただし、Ｄ0は、拡散係数の定数部分であって各元素に固有の頻度因子（ｍ２／sec）であり、Ｑは、金属間化合物の活性化エネルギー（ｋJ/mol）であり、ｔは熱処理時間であり、Ｒ＝８．３１５（Ｊ／mol・K)である。
式（１），（２）より、下記式（３）
Ｌ＝√｛Ｄ0・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）・ｔ｝                    （３）
が成り立つので、頻度因子Ｄ0，活性化エネルギーＱの値がわかると、式（３）から、ＣｕおよびＡｌの拡散距離を求めることができる。
【００２６】
図５は、ＣｕおよびＡｌの拡散に関するデータを表にして示す図である。たとえば、熱処理温度３００℃（５７３Ｋ）で、熱処理時間を３時間（１０８００sec）とすると、式（３）および図５のデータから、Ｃｕ中のＡｌの拡散距離Ｌ１は、１．４×１０−９ｍとなり、Ａｌ中のＣｕの拡散距離Ｌ２は、５．３×１０−７ｍとなる。また、熱処理温度５５０℃（８２３Ｋ）で、熱処理時間を５secとすると、式（３）および図５のデータから、Ｃｕ中のＡｌの拡散距離Ｌ１は、１．１×１０−８ｍ  となり、Ａｌ中のＣｕの拡散距離Ｌ２は、８．７×１０−７ｍとなる。上記拡散距離Ｌ１，Ｌ２は、いずれも１μｍ（１×１０−６ｍ）以下であり、この条件下では、金属間化合物がほとんど生じない。また、適切な熱処理時間は、熱処理温度によって異なるが、上記式（３）と図４および図５のデータとを併せて決定することができる。
【００２７】
（変形例）
上記実施の形態では、溶射法としてコールドスプレー法を用いたが、他の溶射法を用いることもできる。
図６は、ＨＶＡＦ（High Velocity Aero Fuel）法の概略を説明する断面図である。ＨＶＡＦ装置６０Ｂは、原料供給管６８から投入される材料（粒子）を圧縮空気と混合するホッパー６７と、圧縮空気および可燃性ガスを加熱するヒータ６２と、粒子を吹き付けるためのガン６３と、圧縮空気を供給する配管６４，６５と、可燃性ガス（プロパンガスなど）を供給するガス管６６とを備えている。そして、ガン６３から約５〜３０ｍｍ程度離れた位置に、基板（ヒートシンクなど）が設置されている。
【００２８】
ホッパー６７に、原料供給管６８から、材料（Ｃｕ）の粒子群（粒径１０〜４０μｍ）が投入されると、ホッパー６７内で圧縮空気と混合された後、配管６４から送り込まれる圧縮空気によってガン６３に送られる。一方、配管６５，ガス管６６から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ６９で燃焼が促進され、ガン６３に送られる。そして、ガン６３で燃焼ガス，圧縮空気および粒子群が混ざり合った状態で、フレームとともに、超音速流で噴射される。粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度（３００〜５００℃）かつ、より高速（６００〜８００ｍ／ｓ）で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して、からみ合った状態で結合されて、溶射金属層２８が形成される。粒子の粒径は、１０〜４０μｍである。
【００２９】
また、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxigen Fuel）法を用いた場合は、供給管６４，６５から酸素が供給される点を除いては、図６に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓが達成される。
【００３０】
図７は、ＡＤ（Aerosol Deposition）法の概略を説明する断面図である。真空ポンプＶＰが付設された成膜室７１内に、ワークホルダー７３と、基板（本実施の形態では、ヒートシンク２１）と、メタルマスク７５と、ノズル７６とが配置されている。また、エアロゾル化室７８には、原料供給管７９から材料（Ｃｕ）の粒子群が供給され、エアロゾル化室７８内に送り込まれる。粒子は、空気，Ｈｅ，Ａｒ，窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管７７からノズル７６に運ばれ、高速で噴射される。そして、基板上に、溶射金属層２８が堆積される。
【００３１】
（実施の形態２）
−パワーモジュールの構造−
図８は、実施の形態２におけるパワーモジュールセットの断面図である。同図において配線構造の図示は省略されている。本実施の形態のパワーモジュールセットは、放熱器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている（同図には、１つのパワーモジュール１０のみ表示）。放熱器５０は、天板５０ａと天板５０ａに接合された容器５０ｂとからなり、天板５０ａには、パワーモジュール１０を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。放熱器５０を構成する天板５０ａと容器５０ｂとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト，押し出し，鍛造，鋳造，機械加工等によって組み立てることができる。
【００３２】
本実施の形態では、放熱器５０は天板５０ａと容器５０ｂとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
【００３３】
本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器５０の天板５０ａと容器５０ｂとの間の空間５１には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール１０は、Ｏリング２５により気密を保持しつつボルト５４により天板５０ａにネジ止めされている。
【００３４】
そして、パワーモジュール１０には、実施の形態１と同様の構成を有するヒートシンク２１および溶射金属層２８からなる放熱構造体Ａに加えて、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線２３と、金属配線２３と半導体チップ１１とを接合する，Ｐｂフリー半田を含む半田層１４と、金属配線２３と溶射金属層２８との間に介在する絶縁樹脂層２６とが設けられている。図示されていないが、半導体チップ１１の上面および下面には、それぞれ、ＩＧＢＴなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極および裏面電極が設けられている。そして、半導体チップ１１の裏面電極が、半田層１４によって、金属配線２３に導通状態で接合されている。
【００３５】
また、放熱器５０の天板５０ａ上に、半導体チップ１１等を囲むモジュール樹脂枠５３が設けられていて、モジュール樹脂枠５３がボルト５４によって天板５０ａに固定されている。モジュール樹脂枠５３の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層５６（バスバー）が設けられている。この電極端子層５６と金属配線２３とは、大電力用配線１８によって接続されており、電極端子層５６と半導体チップ１１の上面電極１２の一部とは、信号配線１７によって接続されている。これによって、パワーモジュール１０と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠５３の内方には、シリコンゲルからなるゲル層４０が設けられていて、ヒートシンク２１の上面側で半導体チップ１１，信号配線１７，大電力用配線１８，金属配線２３，半田層１４，絶縁樹脂層２６などの部材がゲル層４０内に埋設されている。
【００３６】
本実施の形態のパワーモジュール１０においては、上述のＰｂフリー半田からなる半田層１４と、絶縁樹脂層２６とを備えている。一般に、Ｐｂフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Ｓｎ（液相点２３２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ（液相点２２１℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ（液相点２２２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.55%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃），Ｓｎ−1.5%Ａｇ−0.85%Ｃｕ−2.0Ｂｉ（液相点２２３℃），Ｓｎ−2.5%Ａｇ−0.5%Ｃｕ−1.0Ｂｉ（液相点２１９℃），Ｓｎ−5.8Ｂｉ（液相点１３８℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−その他（液相点２２６℃），Ｓｎ−0.55%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点２２６℃），Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−3.0Ｉｎ（液相点２１６℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−4.0Ｉｎ（液相点２１１℃），Ｓｎ−3.5%Ａｇ−0.5%Ｂｉ−8.0Ｉｎ（液相点２０８℃），Ｓｎ−8.0%Ｚｎ−3.0%Ｂｉ（液相点１９７℃）等がある。本実施の形態では、液相点が３００℃以下の低融点のＰｂフリー半田、たとえば、Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（液相点２２０℃）を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Ｓｎ−5.0%Ｃｕ（液相点３５８℃），Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ（液相点３１２℃）等の高融点のＰｂフリー半田（液相点が３００℃を超えるもの）は除くものとする。
【００３７】
絶縁樹脂層２６には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、３００℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Ｐｂフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層２６を形成した後で、Ｐｂフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ，シリカ，アルミニウム，窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が１．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。
【００３８】
本実施の形態では、絶縁樹脂層２６の下地である溶射金属層２８の表面は溶射処理された状態であり、研磨等はされていない。溶射処理された状態では、表面が荒れた状態であるので、絶縁樹脂層２６との接触面積が拡大するなど、研磨面よりも接着剤の接着力を高める点で有利である。
【００３９】
絶縁樹脂層２６の厚みは、０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層２６の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが０．４ｍｍ以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。
【００４０】
本実施の形態によると、金属配線２３を、絶縁樹脂層２６を挟んで放熱構造体Ａの溶射金属層２８に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、溶射金属層２８の表面を溶射処理されたままにしているので、絶縁樹脂層２６による放熱構造体Ａの溶射金属層２８と金属配線２３との固着強度が向上し、接合部の信頼性を高く維持することができる。
【００４１】
また、１つの半田層１４と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層２６とを用いているので、２つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のＰｂフリー半田と高融点のＰｂフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のＰｂフリー半田だけで済むことになる。現在、Ｐｂフリー半田として、比較的Ｃｕ組成比の高いＰｂフリー半田（たとえば積層点が３００℃以上のＳｎ−5.0%Ｃｕ，Ｓｎ−3.0%Ｃｕ−0.3%Ａｇ）も開発されているが、確実な接続信頼性を有する高融点のＰｂフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のＰｂフリー半田としては、たとえば液相点が２２０℃のＳｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ（ＪＥＩＴＡ推奨合金）などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が３００℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のＰｂフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層１４をＰｂフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。リフロー工程における加熱時間は、５分程度である。
【００４２】
すなわち、２つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が３００℃〜３３０℃の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が２１６℃程度の低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。
【００４３】
一方、環境問題から各種製品として、Ｐｂ（鉛）を使わない、いわゆるＰｂフリー（鉛フリー）部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田（Ｓｎ−50%Ｐｂ）を、たとえば（Ｓｎ−3.0%Ａｇ−0.5%Ｃｕ）などの低融点のＰｂフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田（Ｓｎ−90%Ｐｂ）に代わる，接続信頼性の高い高融点のＰｂフリー半田を用いることは困難である。
【００４４】
それに対し、本実施の形態のごとく、溶射金属層２８と金属配線２３（配線部材）との接続には絶縁樹脂層２６を用いることにより、半導体チップ１１と金属配線２３との接合のみに半田層１４を用いることができる。よって、半田層１４を低融点のＰｂフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Ｐｂフリー化を図ることができるのである。
【００４５】
また、従来のように、２つの半田層を用いる場合には、高融点の半田層形成のためのリフロー工程で、溶射金属層２８の再結晶がある程度進行するが、本実施の形態のごとく、低融点の半田層１４だけを用いる場合には、溶射金属層２８の再結晶はほとんど進行しない。したがって、本発明の熱処理を、絶縁樹脂層２６と半田層１４とを用いたパワーモジュールの放熱構造体Ａに適用することで、より顕著な効果を得ることができる。
【００４６】
本実施の形態では、ヒートシンク２１の材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、ＣｕまたはＣｕ合金も、押し出し成形が可能であり、熱伝導率はＡｌまたはＡｌ合金よりも高い。その他、押し出し成形を行うのでなければ、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００４７】
本実施の形態では、金属配線２３の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Ａｌ，Ａｌ合金や、Ａｌ−ＳｉＣ，Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−Ｍｏなどの複合材料を用いてもよい。
【００４８】
本実施の形態では、溶射金属層２８の材料として、ＣｕまたはＣｕ合金を用いているが、その厚みを０．５ｍｍ以上（本実施の形態では１ｍｍ程度）にすることにより、半導体チップ１１からの放熱経路を横方向に拡大する，いわゆるヒートスプレッダー機能を高めることができる。また、溶射金属層２８には、ヒートシンク２１，絶縁樹脂層２６，金属配線２３などとの熱膨張率差に起因する熱応力が作用する。また、溶射金属層２８の形成時には、粒子の超高速流の衝撃によって、加工ひずみによってヒートシンク２１に残留圧縮歪が生じるが、この残留圧縮歪によっても溶射金属層２８に応力が加わる。そこで、溶射金属層２８の厚みを０．５ｍｍ以上にすることにより、各種応力に耐えうる強度が確保される。
【００４９】
また、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金により構成し、溶射金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金により構成し、金属配線２３をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。まず、ヒートシンク２１をＡｌまたはＡｌ合金によって構成することにより、押し出し成形によって微細ピッチのフィン部２１ｂを容易に形成することができ、放熱機能をより高く発揮することができる。よって、本発明による溶射金属層２８の熱伝導度を改善することによる放熱機能の向上効果は大きい。
【００５０】
また、溶射金属層２８をＣｕまたはＣｕ合金によって構成することにより、上述のヒートスプレッダー機能を発揮しうるとともに、同じくＣｕまたはＣｕ合金からなる金属配線２３と溶射金属層２８とが絶縁樹脂層２６を挟む構造になるので、ろう付けや半田付けよりも接合機能の低い樹脂絶縁層２６に、熱膨張率差に起因する熱応力をほとんど印加せずに済む利点がある。つまり、低融点のＰｂフリー半田のみを使用することによるＰｂフリー化を実現するために有利な構造となる。
【００５１】
（他の実施の形態）
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。
【００５２】
上記実施の形態２では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。
【００５３】
上記実施の形態２は、天板５０ａに多数のパワーモジュール１０を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材２４上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
【００５４】
ヒートシンク２１との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。
【００５５】
上記実施の形態２では、絶縁樹脂層２６を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層２６の上に金属配線２３を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の１回塗りで済み、製造コストがより安価になる。
【００５６】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の放熱構造体は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ等を搭載したパワーモジュールとして、各種機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施の形態１に係る放熱構造体の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における放熱構造体の製造工程を示す斜視図である。
【図３】コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。
【図４】純銅に各種元素を添加したときの再結晶温度を示すグラフである。
【図５】ＣｕおよびＡｌの拡散に関するデータを表にして示す図である。
【図６】ＨＶＡＦ法の概略を説明する断面図である。
【図７】ＡＤ法の概略を説明する断面図である。
【図８】実施の形態２におけるパワーモジュールセットの断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
Ａ      放熱構造体
１０    パワーモジュール
１１    半導体チップ
１４    半田層
１７    信号配線
１８    大電力用配線
２１    ヒートシンク
２１ａ  平板部
２１ｂ  フィン部
２１ｘ  ヒートシンク連続体
２３    金属配線
２５    Ｏリング
２６    絶縁樹脂層
２８    溶射金属層
４０    ゲル層
５０    放熱器
５０ａ  天板
５０ｂ  容器
５１    空間
５３    モジュール樹脂枠
５６    電極端子層
【図１】
2009032996.tif 000003
【図２】
2009032996.tif 000004
【図３】
2009032996.tif 000005
【図４】
2009032996.tif 000006
【図５】
2009032996.tif 000007
【図６】
2009032996.tif 000008
【図７】
2009032996.tif 000009
【図８】
2009032996.tif 000010