JP2011222669A - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子との間に介装されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュールを構成することができるパワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に金属からなる回路層１２が配設され、この回路層１２の上に半導体素子３が搭載されるパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２の一方の面には、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板２０が配設されており、この金属基複合板２０を介して半導体素子３が搭載されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、大電流、高電圧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及びパワーモジュールに関するものである。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子を搭載するパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に記載されているように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。この金属板は回路層とされ、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、半導体素子から発生した熱が、回路層、セラミックス基板等を介して冷却器へと放散されることになる。

最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、かつ、半導体素子からの発熱量が大きくなる傾向にあり、熱を効率的に放散することができるパワーモジュール用基板が要求されている。また、半導体素子の高出力化に伴って、回路層に比較的大きな電流が通電されることがある。
そこで、回路層の厚さを、例えば０．６ｍｍを超えるように厚く構成したパワーモジュール用基板が提案されている。この場合、半導体素子から発生した熱を、回路層においてパワーモジュール用基板の板面方向に拡散することにより、熱の放散を促進することが可能となる。すなわち、回路層をヒートスプレッダとして利用するものである。また、回路層を厚く構成することで、大電流を通電することも可能となる。

特開２００７−３１１５２８号公報

ところで、前述のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板に金属板が積層された構造とされていることから、セラミックス基板の厚さと金属板の厚さによって、パワーモジュール用基板全体の熱膨張係数が変化することになる。セラミックス基板の厚さが比較的厚い場合には、熱膨張係数はセラミックス基板に依存することになり、比較的小さくなる。一方、金属板（回路層）の厚さが比較的厚い場合には、熱膨張係数は金属板に依存することになって比較的大きくなる。

ここで、半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数は約２×１０^−６／℃と小さいために、前述のように回路層を厚く形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子の熱膨張係数とパワーモジュール用基板の熱膨張係数とが大きく異なることになる。すると、このパワーモジュール用基板に半導体素子が搭載されたパワーモジュールに対して冷熱サイクルが負荷された場合には、この熱膨張係数の差による応力がはんだ層に作用し、はんだ層にクラックが発生するといった問題があった。

そこで、回路層と半導体素子との間に、緩衝層として熱膨張係数が半導体素子に近似したＭｏ板やＣｕ−Ｍｏ板を介在させ、はんだ層のクラックの発生を抑制することが考えられる。
しかしながら、ＭｏやＣｕ−Ｍｏ合金においては、熱伝導率が低いために、半導体素子から発生した熱を、パワーモジュール用基板の板面方向に向けて十分に拡散することができず、熱の放散を効率良く行うことができないといった問題があった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子との間に介装されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュールを構成することができるパワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に、金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層の一方の面には、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板が配設されており、この金属基複合板を介して半導体素子が搭載されることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、前記回路層の一方の面に、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板が配設されており、この金属基複合板を介して半導体素子が搭載される構成とされているので、半導体素子が搭載される金属基複合板の熱膨張係数が、銅やアルミニウム等の熱膨張係数よりも小さく設定されることになり、冷熱サイクルによるはんだ層のクラックの発生を抑制することが可能となる。すなわち、回路層を構成する金属の熱膨張係数と半導体素子の熱膨張係数との間の中間の熱膨張係数を有する金属基複合板によって、熱応力を緩和してはんだ層のクラック発生を抑制することが可能となるのである。なお、このような作用効果は、回路層を比較的厚く形成したパワーモジュール用基板において、特に顕著となる。

ここで、前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされているので、半導体素子が搭載される金属基複合板の熱膨張係数が、半導体素子の熱膨張係数に近似することになり、はんだクラックの発生を確実に抑制することができ、このパワーモジュール用基板の信頼性を大幅に向上させることができる。

前記金属基複合板は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有していることが好ましい。
この場合、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しているので、前記金属基複合板において、半導体素子から発生した熱を一の方向に向けて優先的に伝達することが可能となり、効率的に熱を放散するように設計することができる。

また、前記金属基複合板における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることが好ましい。
この場合、高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることから、半導体素子から発生した熱を高熱伝導率方向に向けて優先的に放散することが可能となる。また、高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされているので、高熱伝導率方向以外においても熱の伝達が行われることになり、半導体素子から発生した熱を効率良く放散させることができる。

さらに、前記高熱伝導率方向が、前記金属基複合板の厚さ方向を向くように構成されていることが好ましい。
この場合、前記金属基複合板における高熱伝導率方向が、前記金属基複合板の厚さ方向を向くように構成されているので、半導体素子から発生した熱を回路層へと優先的に伝達することができ、回路層においてパワーモジュール用基板の板面方向に熱を拡げることによって、効率的に熱を放散することが可能となる。

また、前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金とされていることが好ましい。
この場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点が比較的低いことから、炭素質部材中にこれらアルミニウムまたはアルミニウム合金を比較的容易に充填することができる。また、金属基複合板の高熱伝導方向における熱伝導率が４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＲＴ〜２００℃の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、高熱伝導方向に直交する方向における熱伝導率が２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＲＴ〜２００℃の熱膨張係数が２〜４×１０^−６／℃となり、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

あるいは、前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅または銅合金とされていることが好ましい。
この場合、金属基複合板の熱伝導率が５００〜６５０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数が５〜７×１０^−６／℃となり、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

また、前記金属基複合板の一方の面側には、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、前記金属基複合板の一方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されているので、はんだ層を介して半導体素子を確実に搭載することができる。また、この金属スキン層にＮｉめっき等を行うことによって、さらにはんだ材との密着性を向上させることも可能である。

さらに、前記金属基複合板の他方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる第２金属スキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、第２金属スキン層を介して、金属からなる回路層と前記金属基複合板とを良好に接合することが可能となる。

また、本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属基複合板の一方の面側に搭載される半導体素子と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、半導体素子から発生する熱を効率的に放散することができるとともに、冷熱サイクル負荷時においても、はんだ層にクラックが発生することがない。よって、パワーモジュールの信頼性を大幅に向上させることができる。

本発明によれば、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子との間に介装されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュールを構成することができるパワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 図１に示すパワーモジュール用基板の金属基複合板及び回路層の拡大説明図である。 図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 金属基複合板の製造方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 図５に示すパワーモジュール用基板の金属基複合板及び回路層の拡大説明図である。 図５に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１及び図２に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面（図１において上面）側にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方の面（図１において下面）側に配設された冷却器３０と、を備えている。

半導体チップ３は、Ｓｉで構成されており、その熱膨張係数が２〜３×１０^−６／℃程度とされている。この半導体チップ３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなるはんだ層２を介して接合されている。

冷却器３０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３１が複数設けられた多穴管構造をなしている。冷却器３０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さＣは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
ここで、回路層１２の厚さＡは、０．６ｍｍ以上３．６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ａ＝１．０ｍｍに設定されている。また、回路層１２の厚さＡとセラミックス基板１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが、１．５≦Ａ／Ｃ≦１２の範囲内に設定されている。すなわち、本実施形態では、回路層１２の厚さが、比較的厚く形成されているのである。

また、金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
金属層１３の厚さは、０．２５ｍｍ以上３．６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。

そして、回路層１２の上面には、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板２０が配設されている。
また、この金属基複合板２０の一方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる第１金属スキン層２１が形成されている。この第１金属スキン層２１の上には、Ｎｉめっき層５が形成されており、このＮｉめっき層５の上にはんだ層２を介して半導体チップ３が搭載される構成とされている。
さらに、この金属基複合板２０の他方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる第２金属スキン層２２が形成されている。

本実施形態においては、金属基複合板２０を構成する金属基複合材料は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下とされた炭素質部材中に、純度９９％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム−グラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム−グラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述の第１金属スキン層２１及び第２金属スキン層２２は、炭素質部材中に充填された純度９９％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されていることになる。

ここで、前述の炭素質部材は、押出加工によって製造されるものであり、その押出方向に沿って炭素の結晶が並ぶように構成されている。よって、この炭素質部材にアルミニウムを充填した場合には、炭素質部材の押出方向においては、アルミニウムが連続して配置されることになり熱伝導率が高くなるのである。一方、押出方向に交差する方向では、炭素質部材によってアルミニウムが分断され、熱伝導率が低下することになる。このように、金属基複合板２０を構成するアルミニウム−グラファイト複合材料（金属基複合材料）は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされているのである。

本実施形態では、金属基複合板２０の熱膨張係数は、８×１０^−６／℃以下とされている。また、金属基複合板２０における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋとされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。

また、金属基複合板２０の厚さＤは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｄ＝１．２ｍｍに設定されている。第１スキン層２１の厚さＥは、０．０５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｅ＝０．２ｍｍに設定されている。第２金属スキン層２２の厚さＦは、０．０５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｆ＝０．２ｍｍに設定されている。

次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
まず、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる金属基複合板２０を形成する（金属基複合板形成工程Ｓ１）。この金属基複合板形成工程Ｓ１について図４を参照して説明する。まず、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板４１を準備する。このとき、黒鉛板４１（炭素質部材）における押出方向が厚さ方向を向くものとする。この黒鉛板４１の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板４２，４２を配設し、この挟持板４２，４２と黒鉛板４１とを、ステンレス製の押圧板４３，４３によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９．９８％以上の溶融アルミニウムを黒鉛板４１に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる金属基複合板２０が製出される。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板４１（金属基複合板２０）の表面に滲み出してアルミニウム層４４、４４が形成される。このアルミニウム層４４、４４に切削加工を施して厚さを調整することにより、第１金属スキン層２１および第２スキン層２２が形成されることになる。

次に、回路層１２となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（金属板接合工程Ｓ２）。この金属板接合工程Ｓ２においては、ろう材としては、例えばＡｌ−Ｓｉ合金箔が使用され、ろう付けの温度は、６００℃〜６４０℃に設定されている。

次に、回路層１２の上に金属基複合板２０を接合する（金属基複合板接合工程Ｓ３）。ここで、金属基複合板２０の他方の面側には、アルミニウムからなる第２金属スキン層２２が形成されていることから、この第２金属スキン層２２と回路層１２とが接合されることになる。金属基複合板接合工程Ｓ３では、第２金属スキン層２２と回路層１２とは、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、５８０℃〜６２０℃に設定されている。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。なお、金属板接合工程Ｓ２と金属基複合板接合工程Ｓ３とを、同時に行うことも可能である。

次に、このパワーモジュール用基板１０の他方の面側に、冷却器３０を接合する（冷却器接合工程Ｓ４）。この冷却器接合工程Ｓ４においては、金属層１３と冷却器３０とが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、５８０℃〜６２０℃に設定されている。
次に、金属基複合板２０の一方の面側に形成された第１金属スキン層２１の表面にＮｉめっき膜５を形成する（Ｎｉめっき工程Ｓ５）。このＮｉめっき工程Ｓ５においては、電解めっき、または、無電解めっきのいずれの方法も用いることができる。

そして、金属基複合板２０の一方の面側に形成されたＮｉめっき膜５の上に、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ６）。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３がパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出されることになる。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、回路層１２の一方の面に、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板２０が配設されており、この金属基複合板２０を介して半導体チップ３が搭載されているので、金属基複合板２０の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下となって、半導体チップ３を構成するＳｉ等の熱膨張係数に近似することになり、冷熱サイクルによるはんだ層２のクラックの発生を抑制することが可能となる。

また、金属基複合板２０は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、金属基複合板２０における高熱伝導率方向が、金属基複合板２０の厚さ方向を向くように構成されているので、半導体チップ３から発生した熱を回路層１２へと優先的に伝達することができ、比較的厚く形成された回路層１２においてパワーモジュール用基板１０の板面方向に熱を拡げることが可能となり、効率的に熱を放散することができる。

本実施形態では、金属基複合板２０における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋとされているので、半導体チップ３から発生した熱を高熱伝導率方向（金属基複合板２０の厚さ方向）に向けて優先的に放散することが可能となり、回路層１２に熱を効率的に伝達することができる。さらに、金属基複合板２０において、高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋとされているので、金属基複合板２０においても熱が板面方向に拡散されることになり、半導体チップ３から発生した熱を効率良く放散させることができる。

また、金属基複合板２０を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が、比較的融点の低い金属であるアルミニウムとされているので、炭素質部材中にアルミニウムを比較的容易に充填することができる。また、前述のように、金属基複合板２０の高熱伝導方向における熱伝導率が４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＲＴ〜２００℃の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、高熱伝導方向に直交する方向における熱伝導率が２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＲＴ〜２００℃の熱膨張係数が２〜４×１０^−６／℃となり、半導体チップ３との熱膨張係数の差に起因するはんだ層２のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

また、金属基複合板２０の一方の面には、金属基複合材料において炭素質部材中に充填されたアルミニウムからなる第１金属スキン層２１が形成されているので、この第１金属スキン層２１にＮｉめっき膜５を形成することにより、はんだ層２を介して半導体チップ３を確実に搭載することができる。

さらに、金属基複合板２０の他方の面側に、金属基複合材料において炭素質部材中に充填されたアルミニウムからなる第２金属スキン層２２が形成されているので、第２金属スキン層２２を介して、アルミニウムからなる回路層１２と金属基複合板２０と、ろう材を介して接合することが可能となる。

また、本実施形態では、回路層１２がアルミニウムで構成されており、この回路層１２の厚さＡが０．６ｍｍ以上とされ、回路層１２の厚さＡとセラミックス基板１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが、１．５以上に設定されているので、金属基複合板２０より下方部分の熱膨張係数が回路層１２側に近似することになり、金属基複合板２０による熱応力緩和の効果を確実に奏功せしめることができる。
一方、回路層１２の厚さＡが３．６ｍｍ以下とされ、回路層１２の厚さＡとセラミックス基板１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが１２以下とされているので、冷熱サイクル負荷時において接合界面のはがれやセラミックス基板１１の割れ等を防止することができる。

このように本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１によれば、半導体チップ３から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体チップ３との間に介装されたはんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができ、パワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１の信頼性の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図５から図７を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール１０１は、図５に示すように、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方の面（図５において上面）側にはんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面（図５において下面）側に配設された冷却器１３０と、を備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

冷却器１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、
天板部１３１と、この天板部１３１から垂設された放熱フィン１３２とを備えている。冷却器１３０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、例えば無酸素銅等の銅または銅合金で構成されている。

パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さＣは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図５に示すように、セラミック基板１１１の幅は、回路層１１２及び金属層１１３の幅より広く設定されている。

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１１２は、純度が９９．９９９％以上の純銅の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
ここで、回路層１１２の厚さＡは、０．６ｍｍ以上３．６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ａ＝１．０ｍｍに設定されている。また、回路層１１２の厚さＡとセラミックス基板１１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが、１．５≦Ａ／Ｃ≦１２の範囲内に設定されている。すなわち、本実施形態では、回路層１１２の厚さが、比較的厚く形成されているのである。

また、金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９９％以上の純銅の圧延板からなる金属板がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
金属層１１３の厚さは、０．２５ｍｍ以上３．６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。

そして、回路層１１２の上面には、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板１２０が配設されている。
また、この金属基複合板１２０の一方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる第１金属スキン層１２１が形成されており、この第１金属スキン層１２１の上はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３が搭載される構成とされている。
さらに、この金属基複合板１２０の他方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる第２金属スキン層１２２が形成されている。

本実施形態においては、金属基複合板１２０を構成する金属基複合材料は、炭素質部材中に、純度９９％以上の純銅が充填された銅−グラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の９０体積％以上が純銅によって置換され、この純銅の含有率が、銅−グラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述の第１金属スキン層１２１及び第２金属スキン層１２２は、炭素質部材中に充填された純度９９％以上の純銅で構成されていることになる。

ここで、前述の金属基複合板１２０は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされている。
本実施形態では、金属基複合板１２０における高熱伝導率方向の熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、５００〜５５０Ｗ／ｍ・Ｋとされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
また、金属基複合板１２０の熱膨張係数は、８×１０^−６／℃以下とされている。

また、金属基複合板１２０の厚さＤは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｄ＝１．２ｍｍに設定されている。第１スキン層１２１の厚さＥは、０．０５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｅ＝０．２ｍｍに設定されている。第２スキン層１２２の厚さＦは、０．０５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｆ＝０．２ｍｍに設定されている。

次に、本実施形態であるパワーモジュール１０１の製造方法について、図７を参照して説明する。
まず、銅−グラファイト複合材料からなる金属基複合板１２０を形成する（金属基複合板形成工程Ｓ１１）。この金属基複合板形成工程Ｓ１１では、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板を、気孔率５体積％以下の黒鉛からなる一対の挟持板及び一対のステンレス製の押圧板によって挟持し、これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９％以上の溶銅を黒鉛板に含浸させ、これを冷却凝固させ、銅−グラファイト複合材料からなる金属基複合板１２０を製出する。このとき、溶銅の一部が、黒鉛板（金属基複合板１２０）の表面に滲み出して銅層が形成される。この銅層に切削加工を施して厚さを調整することにより、第１金属スキン層１２１および第２スキン層１２２が形成されることになる。

次に、回路層１１２となる銅板及び金属層１１３となる銅板を準備し、これらの銅板を、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記銅板とセラミックス基板１１１とを接合する（金属板接合工程Ｓ１２）。この金属板接合工程Ｓ１２においては、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合しており、ろう付けの温度は、８００℃〜９００℃に設定されている。

次に、回路層１１２の上に金属基複合板１２０を接合する（金属基複合板接合工程Ｓ１３）。ここで、金属基複合板１２０の他方の面側には、銅からなる第２金属スキン層１２２が形成されていることから、この第２金属スキン層１２２と回路層１１２とが接合されることになる。金属基複合板接合工程Ｓ１３では、第２金属スキン層１２２と回路層１１２とは、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、８００℃〜８７０℃に設定されている。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製出されることになる。なお、金属板接合工程Ｓ１２と金属基複合板接合工程Ｓ１３とを、同時に行うことも可能である。

次に、このパワーモジュール用基板１１０の他方の面側に、冷却器１３０を接合する（冷却器接合工程Ｓ１４）。この冷却器接合工程Ｓ１４においては、金属層１１３と冷却器１３０とが、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、８００℃〜８７０℃に設定されている。

そして、金属基複合板１２０の一方の面に、はんだ材を介して半導体チップ１０３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
これにより、はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３がパワーモジュール用基板１１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出されることになる。

以上のような構成とされた第２の本実施形態である絶縁基板１１０及びパワーモジュール１０１においては、金属基複合板１２０を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅とされているので、この金属基複合板１２０の面に垂直方向の熱伝導率が５００〜５５０Ｗ／ｍ・Ｋ、面に平行方向の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、半導体チップ１０３との熱膨張係数の差に起因するはんだ層１０２のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

さらに、金属基複合板１２０を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅とされ、回路層１１２が同じく銅で構成されているので、回路層１１２と金属基複合板１２０とをろう材を介して接合することができる。

また、基板本体１２０の一方の面に、銅からなる第１金属スキン層１２１が形成されているので、Ｎｉめっき膜を形成することなく、はんだ材を介して半導体チップ１０３を接合することができる。よって、このパワーモジュール１０１の製造コストの削減を図ることができる。

また、本実施形態では、回路層１１２が銅で構成されており、この回路層１１２の厚さＡが０．６ｍｍ以上とされ、回路層１１２の厚さＡとセラミックス基板１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが、１．５以上に設定されているので、金属基複合板１２０より下方部分の熱膨張係数が回路層１１２側に近似することになり、金属基複合板１２０による熱応力緩和の効果を確実に奏功せしめることができる。
一方、回路層１１２の厚さＡが３．６ｍｍ以下とされ、回路層１１２の厚さＡとセラミックス基板１１の厚さＣとの比Ａ／Ｃが１２以下とされているので、冷熱サイクル負荷時において接合界面のはがれやセラミックス基板１１１の割れ等を防止することができる。

次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
押し出し法で製造した炭素質部材を押し出し方向が板厚方向となるように切断し、グラファイト材を準備した。これらをモールド内にセットし、純アルミニウムまたは純銅の溶湯を注いだ後、高圧をかけることにより、金属基複合板（アルミニウム−グラファイト複合材または銅―グラファイト複合材）を製造した。

このようにして製造されたアルミニウム−グラファイト複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で４２２Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で２４１Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、面内に平行方向にＲＴ〜２００℃までの平均熱膨張係数を測定した結果、７．１×１０^−６／℃であった。
また、銅−グラファイト複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で５３０Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で３４２Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、面内に平行方向にＲＴ〜２００℃までの平均熱膨張係数を測定した結果、７．５×１０^−６／℃であった。
この金属基複合板（アルミニウム−グラファイト複合材または銅−グラファイト複合材）を用いて、平均熱膨張係数、熱抵抗、はんだクラック、金属板とセラミックス基板との界面の破断について評価した。

まず、５０ｍｍ角の金属基複合板と金属板とをろう材を介して接合した複合基板を作製し、該複合基板の熱膨張係数をＲＴ〜２００℃で測定し、平均熱膨張係数を算出した。
次に、熱抵抗Ｒｔｈは、５０ｍｍ角の前記複合基板に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕからなるはんだ材を介して１０ｍｍ角のシリコンチップを接合し、このシリコンチップを発熱させて温度測定を行い、複合基板上面と金属板下面の熱抵抗を以下の式で算出した。
Ｒｔｈ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｑ
Ｔｊ：シリコンチップ温度、Ｔａ：複合基板下面の温度、Ｑ（Ｗ）：半導体チップ発熱量

はんだクラックについては、上述の熱抵抗測定用サンプルを温度サイクル−４０℃〜１２５℃×３０００回（液相）後に、シリコンチップ下はんだ部を断面観察し、クラックの進展の程度を評価した（○：端部からのクラック進展長さが０．５ｍｍ以下、△：端部からのクラック進展長さが０．５ｍｍ超えるが実用上問題なし）。
金属板とセラミックス基板との界面の破断については、上述の熱抵抗測定用サンプルを温度サイクル−４０℃〜１２５℃×３０００回（液相）後に、金属板とセラミックス基板との界面を断面観察し、セラミックス基板のクラック、界面のはがれの有無を確認した（○：端部からのクラック進展長さが１ｍｍ以下、×：端部からのクラック進展長さが１ｍｍ超）。
評価結果を表１、表２に示す。

アルミニウム−グラファイト複合材からなる金属基複合板とアルミニウムからなる金属板とを備えた実施例１−２０、２５−２８においては、金属板とセラミックス基板との界面の破断は認められていない。ただし、セラミックス基板の厚さＣと金属板の厚さＡとの比Ａ／Ｃが１２とされた実施例２５−２８においては、はんだクラックの発生が認められた。
また、銅−グラファイト複合材からなる金属基複合板と銅からなる金属板とを備えた実施例２１−２４においても、金属板とセラミックス基板との界面の破断は認められていない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、金属基複合材料を、炭素質部材中にアルミニウムを充填したアルミニウム−グラファイト複合材料、または、炭素質部材中に銅を充填した銅−グラファイト複合材料として説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム合金、銅合金や、他の金属を充填したものであってもよい。

また、炭素質部材として、黒鉛板（黒鉛部材）を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等で構成された炭素質部材であってもよい。
さらに、第１金属スキン層及び第２金属スキン層を、金属基複合板中に充填されたアルミニウムまたは銅を滲み出させて形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属基複合板を形成する際に、アルミニウムや銅の板材を挟持板の間に挟みこんで、第１金属スキン層及び第２金属スキン層を形成してもよい。

さらに、冷却器の構造や材質は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造や材質であってもよい。
また、冷却器と金属層とを接合した構成で説明したが、冷却器と金属層との間に、緩衝層を介在させてもよい。

１、１０１ パワーモジュール
２、１０２ はんだ層
３，１０３ 半導体チップ（半導体素子）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
２０、１２０ 金属基複合板
２１、１２１ 第１金属スキン層（金属スキン層）
２２、１２２ 第２金属スキン層

Claims (10)

1. セラミックス基板の一方の面に金属からなる回路層が配設され、この回路層の上に半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層の一方の面には、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板が配設されており、この金属基複合板を介して半導体素子が搭載されることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記金属基複合板は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
4. 前記金属基複合板における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
5. 前記高熱伝導率方向が、前記金属基複合板の厚さ方向を向くように構成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
6. 前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
7. 前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅または銅合金とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
8. 前記金属基複合板の一方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
9. 前記金属基複合板の他方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる第２金属スキン層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属基複合板の一方の面側に搭載される半導体素子と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。

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