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WO2011096542A1 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール用基板及びパワーモジュール Download PDF

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WO2011096542A1
WO2011096542A1 PCT/JP2011/052428 JP2011052428W WO2011096542A1 WO 2011096542 A1 WO2011096542 A1 WO 2011096542A1 JP 2011052428 W JP2011052428 W JP 2011052428W WO 2011096542 A1 WO2011096542 A1 WO 2011096542A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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matrix composite
power module
metal matrix
thermal conductivity
substrate body
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2011/052428
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
長友　義幸
長瀬　敏之
慎介 青木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
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Priority to KR1020127020290A priority patent/KR101419627B1/ko
Priority to JP2011552846A priority patent/JP5488619B2/ja
Priority to CN201180008100.3A priority patent/CN102742008B/zh
Publication of WO2011096542A1 publication Critical patent/WO2011096542A1/ja
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    • H10W90/00—
    • H10W40/25—
    • H10W70/6875—
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00011—Not relevant to the scope of the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253—Silicon [Si]
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/12—Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1204—Optical Diode
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    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151—Die mounting substrate
    • H01L2924/156—Material
    • H01L2924/15798—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H10W72/352—
    • H10W72/952—
    • H10W90/734—
    • H10W90/736—

Definitions

  • the present invention relates to a power module substrate and a power module used in a semiconductor device that controls, for example, a large current and a high voltage.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2010-024705 filed in Japan on February 05, 2010 and Japanese Patent Application No. 2010-024706 filed in Japan on February 05, 2010. Is hereby incorporated by reference.
  • power elements for supplying power have a relatively high calorific value.
  • a resin layer is formed as an insulating layer on a heat sink, and a substrate body made of a copper plate is formed on the resin layer.
  • a substrate body made of a copper plate is formed on the resin layer.
  • an insulating substrate in which is provided.
  • a semiconductor element silicon chip
  • the heat generated from the semiconductor element is spread in the plate surface direction (direction perpendicular to the stacking direction) in the substrate body made of a copper plate having high thermal conductivity, and then the thermal conductivity. It is diffused to the heat sink side through a low resin layer.
  • the heat dissipation characteristic in the insulating layer of the power module substrate described above is expressed by the thermal resistance Rth shown below.
  • Rth (1 / k) ⁇ (t / S)
  • Rth thermal resistance
  • k thermal conductivity
  • t thickness of insulating layer
  • S area of insulating layer
  • an Al (aluminum) metal plate that becomes a circuit layer (corresponding to a substrate body) on one surface side of a ceramic substrate (corresponding to an insulating layer) made of AlN (aluminum nitride).
  • a power module substrate is widely used which is bonded via an Al—Si brazing material.
  • the thermal expansion coefficient of silicon constituting the semiconductor element is about 2 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C., which is greatly different from the thermal expansion coefficient of copper or aluminum constituting the substrate body.
  • the stress due to the difference in the thermal expansion coefficient acts on the solder layer, which may cause cracks in the solder layer.
  • power modules have been made smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements has increased. The above-mentioned solder layer tends to be cracked.
  • the substrate body is made of a Cu—Mo alloy so that the thermal expansion coefficient of the substrate body is approximated to the thermal expansion coefficient of the semiconductor element to suppress the occurrence of cracks in the solder layer.
  • the thermal conductivity of the Cu—Mo alloy is as low as 170 W / m ⁇ K, the heat cannot be sufficiently spread, and the heat generated in the semiconductor element cannot be efficiently dissipated.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can efficiently dissipate heat generated from a semiconductor element, and can be interposed between the semiconductor element even when a cooling cycle is applied. It is an object of the present invention to provide a power module substrate that can suppress the occurrence of cracks in the solder layer that is mounted, and a power module that uses the power module substrate.
  • the power module substrate of the present invention is a power module in which one surface of a plate-shaped substrate body is a mounting surface on which a semiconductor element is mounted, and an insulating layer is formed on the other surface side of the substrate body.
  • the substrate body includes a metal matrix composite plate made of a metal matrix composite material in which a carbonaceous member is filled with metal.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate body can be set smaller than the thermal expansion coefficient of a metal such as copper, and the occurrence of cracks in the solder layer due to the thermal cycle can be suppressed. It becomes.
  • the metal matrix composite plate has anisotropy so that the thermal conductivity in one direction is higher than the thermal conductivity in the other direction,
  • the high thermal conductivity direction in the main body is configured to face the thickness direction of the substrate main body.
  • heat can be transmitted in the thickness direction even if the thickness of the substrate body is increased. Therefore, by increasing the thickness of the substrate body, it is possible to promote the diffusion of heat toward the plate surface, and to spread and dissipate the heat generated from the semiconductor elements in the substrate body.
  • the thickness ts (mm) of the substrate body, the area S (mm 2 ) of the substrate body, and the bonding area S 0 (mm 2 ) of the semiconductor element are: It may be in the range of 0.003 ⁇ ts / (S ⁇ S 0 ) ⁇ 0.015.
  • the thickness ts is secured with respect to the area S of the substrate body, and heat can be spread over the entire area S of the substrate body. Further, the board thickness of the substrate body is not increased more than necessary, and heat transfer in the thickness direction can be performed efficiently.
  • the substrate body is formed by laminating a plurality of metal matrix composite plates made of a metal matrix composite material in which a carbonaceous member is filled with metal.
  • This metal matrix composite material has anisotropy so that the thermal conductivity in one direction is higher than the thermal conductivity in the other direction.
  • the high thermal conductivity direction in one metal matrix composite plate and the high thermal conductivity direction in another metal matrix composite plate are different from each other.
  • heat generated from the semiconductor element is preferentially dissipated in different directions in each metal matrix composite plate of the substrate body, so that heat can be efficiently dissipated. It becomes possible.
  • it becomes possible to adjust the heat dissipation direction by adjusting the thicknesses of one metal matrix composite plate and another metal matrix composite plate.
  • the substrate body may be configured such that the high thermal conductivity direction of one metal matrix composite plate faces the thickness direction of the substrate body.
  • the power module substrate having this configuration is configured such that the high thermal conductivity direction of one metal matrix composite plate faces the thickness direction of the substrate body (that is, the stacking direction of the substrate body and the heat sink). Therefore, since the high thermal conductivity direction in the other metal matrix composite plate faces other than the thickness direction, heat can be dissipated so as to spread the heat in the other metal matrix composite plate.
  • the high thermal conductivity direction in one metal matrix composite plate is configured to face the thickness direction (stacking direction) of the substrate body, heat generated from the semiconductor element is preferentially dissipated to the heat sink side. Can be made.
  • the substrate main body in the substrate main body, three metal matrix composite plates are laminated, the direction of high thermal conductivity of the first metal matrix composite plate, and the second metal matrix composite.
  • the high thermal conductivity direction of the plate and the high thermal conductivity direction of the third metal matrix composite plate may be arranged so as to be orthogonal to each other. In the power module substrate having this configuration, it is possible to disperse and dissipate heat in three directions.
  • the first metal matrix composite plate, the second metal matrix composite plate, and the third metal matrix composite plate are each configured to have the same thickness. May be.
  • the thermal conductivity anisotropy is improved in the entire substrate body. Therefore, it can be handled in the same manner as a substrate body made of isotropic material.
  • the metal matrix composite plate has anisotropy so that the thermal conductivity in one direction is higher than the thermal conductivity in the other direction.
  • the high thermal conductivity direction in the substrate body is configured to face a direction orthogonal to the thickness direction of the substrate body. In the power module substrate having this configuration, heat can be sufficiently spread toward the plate surface direction of the substrate body without increasing the thickness of the substrate body.
  • the substrate body may have a thermal expansion coefficient of 8 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or less.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate body approximates the thermal expansion coefficient of Si or the like constituting the semiconductor element. Therefore, generation
  • the thermal conductivity in the high thermal conductivity direction of the metal matrix composite plate is 400 W / m ⁇ K or more, and the thermal conductivity in the direction orthogonal to the high thermal conductivity direction is It may be 200 W / m ⁇ K or more.
  • heat generated from the semiconductor element can be preferentially dissipated in the direction of high thermal conductivity.
  • heat is transferred in directions other than the direction of high thermal conductivity, and heat generated from the semiconductor element can be efficiently dissipated.
  • the metal matrix composite material may be an aluminum matrix composite material in which aluminum or an aluminum alloy is filled in a carbonaceous member.
  • the thermal conductivity is 400 to 450 W / m ⁇ K
  • the thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. is 6 to 8 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the direction perpendicular to the high thermal conductivity direction is The thermal conductivity is 200 to 250 W / m ⁇ K
  • the thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. is 2 to 4 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer due to the difference in thermal expansion coefficient from the semiconductor element, and to dissipate heat efficiently.
  • the metal matrix composite material may be a copper matrix composite material in which a carbonaceous member is filled with copper or a copper alloy.
  • the thermal conductivity is 500 to 650 W / m ⁇ K
  • the thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. is 5 to 7 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the thermal expansion coefficient with the semiconductor element It is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer due to the difference between them and to efficiently dissipate heat.
  • a metal skin layer made of a metal filled in a carbonaceous member in the metal matrix composite material may be formed on one surface side of the substrate body.
  • a metal skin layer made of a metal filled in a carbonaceous member in the metal matrix composite material is formed on one surface side of the substrate body.
  • the power module of the present invention includes the power module substrate described above and a semiconductor element mounted on one surface of the substrate body.
  • the power module having this configuration it is possible to spread the heat generated from the semiconductor element in the substrate body and efficiently dissipate the heat toward the heat sink.
  • no cracks are generated in the solder layer even during a cold heat cycle load. Therefore, the reliability of the power module can be greatly improved.
  • the present invention it is possible to efficiently dissipate heat generated from a semiconductor element, and suppress the generation of cracks in a solder layer interposed between the semiconductor element even when a cooling cycle is applied. It is possible to provide a power module substrate and a power module using the power module substrate.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is a section explanatory view of the substrate for power modules which is an embodiment of the present invention. It is a flowchart of the manufacturing method of the power module shown in FIG. 1, FIG. It is explanatory drawing of the manufacturing method of a substrate main body. It is a section explanatory view of a power module substrate and a power module which are the 2nd embodiment of the present invention. It is a perspective view of the board
  • FIG. 1 is a schematic explanatory drawing of the board
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is a section explanatory view of the substrate for power modules which is an embodiment of the present invention. It is a flowchart of the manufacturing method of the power module shown in FIG. 1, FIG. It is
  • FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the substrate body shown in FIG. 7. It is explanatory drawing of the manufacturing method of the board
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 13. It is a cross-sectional explanatory drawing of the board
  • the power module 1 includes a power module substrate 10, a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 2) of the power module substrate 10 via a solder layer 2, and a power module substrate 10. And a heat sink 30 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 2) side.
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the heat sink 30 cools the semiconductor element 3 mounted on the power module substrate 10. As shown in FIG. 2, the heat sink 30 includes a top plate portion 31 joined to the power module substrate 10, and heat radiating fins 32 suspended from the top plate portion 31.
  • the heat sink 30 (top plate portion 31) is preferably made of a material having good thermal conductivity. In the present embodiment, the heat sink 30 is made of, for example, A6063 (aluminum alloy).
  • the power module substrate 10 includes a substrate body 20 having a plate shape.
  • An insulating layer 15 made of an insulating resin is formed on the other surface of the substrate body 20, and a heat sink 30 is disposed through the insulating layer 15.
  • resin which comprises the insulating layer 15 resin materials, such as an epoxy resin, a glass epoxy resin, and a polyimide resin, what mixed direction fillers in these resin materials, etc. are mentioned, for example.
  • the substrate body 20 is made of a metal matrix composite material in which a metal is filled in a carbonaceous member. Further, a metal skin layer 25 made of metal filled in a carbonaceous member is formed on one surface (the upper side in FIGS. 2 and 3) of the substrate body 20. As shown in FIG. 2, the Ni plating layer 5 is formed on the metal skin layer 25. The semiconductor element 3 is mounted on the Ni plating layer 5 via the solder layer 2.
  • the metal based composite material constituting the substrate main body 20 while a carbonaceous member that is the average spacing d 002 is 0.340nm less, purity 99.98% or more of aluminum (pure It is made of an aluminum-graphite composite material filled with (aluminum).
  • a carbonaceous member that is the average spacing d 002 is 0.340nm less, purity 99.98% or more of aluminum (pure It is made of an aluminum-graphite composite material filled with (aluminum).
  • the metal matrix composite material constituting the substrate body 20 90% by volume or more of the pores of the carbonaceous member is replaced with pure aluminum, and the pure aluminum content is 35% or less based on the total volume of the aluminum-graphite composite material.
  • the metal skin layer 25 described above is made of aluminum filled in a carbonaceous member.
  • the aforementioned carbonaceous member is manufactured by extrusion processing, and is configured such that carbon crystals are arranged along the extrusion direction. Therefore, in the extrusion direction of the carbonaceous member, aluminum is continuously arranged and the thermal conductivity is increased. On the other hand, in the direction crossing the extrusion direction, aluminum is divided by the carbonaceous member, and the thermal conductivity is lowered.
  • the aluminum-graphite composite material (metal matrix composite material) constituting the substrate body 20 is anisotropic such that the thermal conductivity in the extrusion direction of the carbonaceous member is higher than the thermal conductivity in the other directions.
  • the extruding direction of the carbonaceous member is the high thermal conductivity direction.
  • the thermal expansion coefficient (from room temperature to 200 ° C.) of the substrate body 20 is set to 8 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or less.
  • the thermal conductivity in the high thermal conductivity direction of the substrate body 20 is 400 W / m ⁇ K or more, specifically, 400 to 450 W / m ⁇ K.
  • the thermal conductivity in the direction orthogonal to the high thermal conductivity direction is 200 W / m ⁇ K or more, specifically 200 to 250 W / m ⁇ K.
  • the relationship between the thickness ts (mm) of the substrate body 20, the area S (mm 2 ) of the substrate body 20, and the bonding area S 0 (mm 2 ) of the semiconductor element 3 is 0.003 ⁇ ts / (S ⁇ S 0 ) ⁇ 0.015.
  • the ratio ti / ts between the thickness ti of the insulating layer 15 and the thickness ts of the substrate body 20 is set to 0.01 ⁇ ti / ts ⁇ 0.30.
  • a substrate body 20 made of an aluminum-graphite composite material is formed (substrate body formation step S1).
  • the substrate body forming step S1 will be described with reference to FIG.
  • a graphite plate 41 having a porosity of 10 to 30% by volume is prepared.
  • the extrusion direction in the graphite plate 41 (carbonaceous member) shall be in the thickness direction.
  • Holding plates 47 and 47 made of graphite having a porosity of 5% by volume or less are disposed on both surfaces of the graphite plate 41, respectively.
  • the sandwich plates 47 and 47 and the graphite plate 41 are sandwiched by stainless pressing plates 48 and 48. This is heated to 750 to 850 ° C.
  • the graphite plate 41 is impregnated with molten aluminum having a purity of 99.98% or more.
  • the substrate body 20 made of an aluminum-graphite composite material is produced.
  • a part of the molten aluminum oozes out on the surface of the graphite plate 41 (substrate body 20) to form aluminum layers 44 and 44.
  • the metal skin layer 25 is formed by cutting the aluminum layers 44 and 44 to adjust the thickness.
  • the insulating layer 15 is formed on the other surface side of the substrate body 20 (insulating layer forming step S2).
  • coating and hardening resin materials such as an epoxy resin, a glass epoxy resin, and a polyimide resin, for example. You may join the board
  • the heat sink 30 (top plate portion 31) is bonded to the other surface side of the power module substrate 10 (heat sink bonding step S3).
  • the top plate portion 31 of the heat sink 30 is joined to the insulating layer 15 made of a resin material using a joining material such as epoxy or adhesive.
  • the Ni plating film 5 is formed on the surface of the metal skin layer 25 formed on one surface side of the power module substrate 10 (Ni plating step S4). In this Ni plating step S4, any method of electrolytic plating or electroless plating can be used.
  • the semiconductor element 3 is placed on the Ni plating film 5 formed on one surface side of the power module substrate 10 via a solder material, and is soldered in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S5). Thereby, the semiconductor element 3 is joined on the board
  • the substrate body 20 is a metal matrix composite material in which a carbonaceous member is filled with metal, more specifically, Since it is made of an aluminum-graphite composite material, the thermal expansion coefficient of the substrate body 20 is relatively small at 8 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or less, and it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer 2 due to the thermal cycle. It becomes possible.
  • the substrate body 20 has anisotropy so that the thermal conductivity in one direction is higher than the thermal conductivity in the other direction, and the high thermal conductivity direction in the substrate body 20 is the thickness of the substrate body 20. Since it is configured to face in the vertical direction, heat can be transmitted in the thickness direction even if the thickness of the substrate body 20 is increased. Therefore, by increasing the thickness of the substrate body 20, it is possible to promote the diffusion of heat toward the plate surface direction. Thereby, the heat generated from the semiconductor element 3 can be spread and dissipated.
  • the thermal conductivity in the direction of high thermal conductivity in the substrate body 20 is 400 W / m ⁇ K or more, specifically 400 to 450 W / m ⁇ K, it is assumed that the thickness of the substrate body 20 is increased. Heat can be efficiently transmitted in the thickness direction.
  • the thermal conductivity in the direction orthogonal to the high thermal conductivity direction is 200 W / m ⁇ K or more, specifically 200 to 250 W / m ⁇ K, it is possible to efficiently increase the plate thickness. Heat can be diffused in the direction of the plate surface. Therefore, heat can be efficiently dissipated by diffusing heat generated from the semiconductor element 3 in the plate surface direction and in the plate thickness direction.
  • ts / (S ⁇ S 0 ) between the thickness ts (mm) of the substrate body 20, the area S (mm 2 ) of the substrate body 20, and the bonding area S 0 (mm 2 ) of the semiconductor element 3.
  • ts / (S ⁇ S 0 ) is set to 0.015 or less, the thickness of the substrate body 20 is not increased more than necessary, and heat can be efficiently transmitted in the thickness direction.
  • the ratio ti / ts between the thickness ts of the substrate body 20 and the thickness ti of the insulating layer 15 is 0.01 ⁇ ti / ts ⁇ 0.30.
  • the heat can be dissipated to the heat sink 30 through the insulating layer 15 after sufficiently diffusing the heat in the plate surface direction.
  • a metal skin layer 25 is formed on one surface side of the substrate body 20, and the Ni plating film 5 is formed on the metal skin layer 25, so that the semiconductor element 3 is interposed via the solder layer 2. Can be securely mounted.
  • the heat generated from the semiconductor element 3 can be efficiently dissipated. Further, even when a cooling cycle is applied, generation of cracks in the solder layer 2 interposed between the semiconductor element 3 can be suppressed, and reliability can be improved.
  • the power module substrate 110 includes a substrate body 120 having a plate shape.
  • An insulating layer 115 made of an insulating resin is formed on the other surface of the substrate body 120, and the heat sink 30 is disposed through the insulating layer 115.
  • the configuration of the substrate body 120 is different from that of the first embodiment.
  • the substrate body 120 is configured by laminating two or more metal matrix composite plates made of a metal matrix composite material in which a metal is filled in a carbonaceous member.
  • FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 3 three metal matrix composite plates 121, 122, and 123, which are a first metal matrix composite plate 121, a second metal matrix composite plate 122, and a third metal matrix composite plate 123, are stacked.
  • a metal skin layer 125 is formed on one surface of the substrate body 120 (upper side in FIGS. 6, 7, and 8). On the metal skin layer 125, the Ni plating layer 5 is formed.
  • the semiconductor element 3 is mounted on the Ni plating layer 5 via the solder layer 2.
  • the metal matrix composite material constituting the first metal matrix composite plate 121, the second metal matrix composite plate 122, and the third metal matrix composite plate 123 is the same as the metal matrix composite material in the first embodiment. It is comprised by the aluminum group composite material of a structure. That is, it is made of an aluminum-graphite composite material in which a carbonaceous member is filled with aluminum (pure aluminum) having a purity of 99.98% or more.
  • the metal skin layer 125 described above is made of aluminum filled in a carbonaceous member.
  • the metal matrix composite material constituting the first metal matrix composite plate 121, the second metal matrix composite plate 122, and the third metal matrix composite plate 123 has a thermal conductivity in the extrusion direction of the carbonaceous member in the other direction. It has an anisotropy so that it may become higher than the heat conductivity in, and the extrusion direction of a carbonaceous member is made into the high heat conductivity direction.
  • the 1st metal matrix composite board 121 is arrange
  • the second metal matrix composite plate 122 is arranged so that the high thermal conductivity direction is the lower left upper right direction (Y direction) in FIG.
  • the third metal matrix composite plate 123 is arranged such that the direction of high thermal conductivity is the vertical direction (Z direction) in FIG.
  • the high thermal conductivity direction of the first metal matrix composite plate 121, the high thermal conductivity direction of the second metal matrix composite plate 122, and the high thermal conductivity direction of the third metal matrix composite plate 123 are arranged to be orthogonal to each other. ing.
  • the plate thickness t1 of the first metal matrix composite plate 121, the plate thickness t2 of the second metal matrix composite plate 122, and the plate thickness t3 of the third metal matrix composite plate 123 are configured to be equal to each other.
  • a graphite plate (carbonaceous member) having a porosity of 10 to 30% by volume is prepared.
  • two sheets of graphite plates (carbonaceous members) formed so that the extrusion direction is along the plate surface are prepared, and the two graphite plates 141 and 142 are laminated so that these extrusion directions are orthogonal to each other.
  • one piece of graphite plate (carbonaceous member) formed so that the extrusion direction is in the plate thickness direction is prepared, and this graphite plate 143 is laminated below the two graphite plates 141 and 142.
  • sandwiching plates 47, 47 are arranged on both surfaces of the laminate 145 of the graphite plates 141, 142, 143.
  • the sandwiching plates 47 and 47 and the laminate 145 are sandwiched by the pressing plates 48 and 48.
  • This is heated under pressure under the same conditions as in the first embodiment to impregnate the graphite plates 141, 142, and 143 with molten aluminum.
  • this is cooled and solidified to obtain an aluminum-based composite material.
  • the metal skin layer 125 is formed by cutting the aluminum layers 144 and 144 formed by oozing out on the surface of the substrate body 120 and adjusting the thickness.
  • the heat generated from the semiconductor element 3 spreads in the width direction (left-right direction in FIG. 10) in the first metal matrix composite plate 121 disposed on the upper surface side of the substrate body 120, as shown in FIG. .
  • the heat spread in the width direction in the first metal matrix composite plate 121 is expanded in the depth direction (vertical direction in FIG. 11) in the second metal matrix composite plate 122 as shown in FIG.
  • the heat spread to the entire surface of the substrate body 120 by the first metal matrix composite plate 121 and the second metal matrix composite plate 122 is transmitted in the thickness direction by the third metal matrix composite plate 123 as shown in FIG. And diffused to the heat sink 30 side.
  • the substrate body 120 includes the first metal matrix composite plate 121, the second metal matrix composite plate 122, and the third metal matrix.
  • the three metal matrix composite plates of the composite plate 123 are laminated, and the direction of high thermal conductivity of the third metal matrix composite plate 123 is the thickness direction of the substrate body 120 (the lamination direction of the substrate body 120 and the heat sink 30). Since it is configured to face, heat generated from the semiconductor element 3 can be dissipated to the heat sink 30 side.
  • the substrate body 120 is made of an aluminum-based composite material, the thermal conductivity in the high thermal conductivity direction is 400 W / m ⁇ K or more, specifically, 400 to 450 W / m ⁇ K.
  • the thermal conductivity in the direction orthogonal to the high thermal conductivity direction is 200 W / m ⁇ K or more, specifically 200 to 250 W / m ⁇ K, and heat can be efficiently dissipated.
  • the high thermal conductivity direction of the first metal matrix composite plate 121, the high thermal conductivity direction of the second metal matrix composite plate 122, and the high thermal conductivity direction of the third metal matrix composite plate 123 are arranged to be orthogonal to each other. Therefore, as shown in FIGS. 10 to 12, the heat generated from the semiconductor element 3 is spread over the entire surface of the substrate body 120 by the first metal matrix composite plate 121 and the second metal matrix composite plate 122, and thereafter Then, it is diffused to the heat sink 30 side through the third metal matrix composite plate 123. Therefore, the heat generated from the semiconductor element 3 can be efficiently dissipated.
  • the first metal matrix composite plate 121, the second metal matrix composite plate 122, and the third metal matrix composite plate 123, which are arranged so that the high thermal conductivity directions are orthogonal to each other, have the same thickness.
  • the entire substrate body 120 exhibits anisotropy with improved thermal conductivity anisotropy. Therefore, it can be handled in the same manner as a substrate body made of an isotropic material.
  • the metal skin layer 125 is formed on one surface side of the substrate body 120, the Ni plating layer 5 is formed on the metal skin layer 125 and the semiconductor element 3 is mounted via the solder layer 2. be able to. Thereby, the board
  • the power module 201 and the power module substrate 210 include a substrate body 220 having a plate shape.
  • An insulating layer 215 made of an insulating resin is formed on the other surface of the substrate body 220, and the heat sink 30 is disposed through the insulating layer 215.
  • the configuration of the substrate body 220 is different from those of the first and second embodiments.
  • the power module substrate 210 does not expand in the depth direction (vertical direction in FIG. 13) with respect to the size of the mounted semiconductor element 3, and the width direction It has a spread only in the left-right direction in FIG.
  • the substrate body 220 has a configuration in which two metal matrix composite plates, a first metal matrix composite plate 221 and a second metal matrix composite plate 222, are laminated.
  • a metal skin layer 225 is formed on one surface of the substrate body 220 (upper side in FIGS. 14 and 15).
  • the Ni plating layer 5 is formed on the metal skin layer 225.
  • the solder layer 2 is formed on the Ni plating layer 5 and the semiconductor element 3 is mounted.
  • the metal matrix composite material constituting the first metal matrix composite plate 221 and the second metal matrix composite plate 222 is in the carbonaceous member as in the first and second embodiments. It is made of an aluminum-based composite material filled with aluminum (pure aluminum) having a purity of 99.98% or more. Further, the metal skin layer 225 is made of aluminum filled in a carbonaceous member.
  • the 1st metal matrix composite board 221 is arrange
  • the second metal matrix composite plate 222 is arranged such that the direction of high thermal conductivity is the vertical direction (Z direction) in FIG. That is, the high thermal conductivity direction of the first metal matrix composite plate 221 and the high thermal conductivity direction of the second metal matrix composite plate 222 are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the plate thickness t1 of the first metal matrix composite plate 221 and the plate thickness t2 of the second metal matrix composite plate 222 are configured to be equal to each other.
  • heat generated from the semiconductor element 3 is transmitted in the width direction by the first metal matrix composite plate 221 (FIG. 14). And in the left-right direction in FIG. 15, heat is spread over the entire surface of the substrate body 220. Then, heat is dissipated to the heat sink 30 side by the second metal matrix composite plate 222. Therefore, the heat generated from the semiconductor element 3 can be efficiently dissipated.
  • the power module 301 includes a power module substrate 310, a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 16) of the power module substrate 310 via a solder layer 2, and a power module substrate 310. And a heat sink 30 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 16) side.
  • the power module substrate 310 includes a ceramic substrate 315, a circuit layer 312 disposed on one surface of the ceramic substrate 315, and a buffer layer 313 disposed on the other surface of the ceramic substrate 315. .
  • the ceramic substrate 315 prevents electrical connection between the circuit layer 312 and the buffer layer 313, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 315 is set to 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in this embodiment, it is 0.635 mm.
  • the buffer layer 313 is formed by bonding a metal plate 353 to the other surface of the ceramic substrate 315.
  • the buffer layer 313 is formed by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 315.
  • the thickness of this buffer layer 313 is 0.2 mm or more and 4.0 mm or less, and is 2.0 mm in this embodiment.
  • the circuit layer 312 is formed by joining a metal matrix composite plate 352 made of a metal matrix composite material in which a carbonaceous member is filled with metal to one surface of the ceramic substrate 315.
  • the circuit layer 312 is the substrate body 320
  • the ceramic substrate 315 is the insulating layer.
  • the thermal expansion coefficient of the metal matrix composite plate 352 that becomes the circuit layer 312 (substrate body 320) is in the range of 3.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or more and 15 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or less.
  • the circuit layer 312 (substrate body 320) includes a body layer 312A and a metal skin layer 312B formed on one surface and the other surface of the body layer 312A.
  • the thickness t1 of the main body layer 312A is 0.1 mm ⁇ t1 ⁇ 3.98 mm
  • the thickness t2 of the metal skin layer 312B is 0.01 mm ⁇ t2 ⁇ 0.5 mm. .
  • the metal matrix composite plate 352 constituting the circuit layer 312 has a purity of 99.98% or more in the carbonaceous member, as in the first to third embodiments.
  • the metal skin layer 312B described above is made of aluminum filled in a carbonaceous member.
  • the metal matrix composite plate 352 has anisotropy so that the thermal conductivity in the extrusion direction of the carbonaceous member is higher than the thermal conductivity in other directions, and the extrusion direction of the carbonaceous member. Is the direction of high thermal conductivity.
  • the metal matrix composite plate 352 is disposed so that the high thermal conductivity direction is perpendicular to the thickness direction (stacking direction with the ceramic substrate 315). Yes.
  • the manufacturing method of the power module 301 includes a metal matrix composite plate forming step S301 for forming a metal matrix composite plate 352 to be the circuit layer 312 (substrate body 320), and bonding the metal matrix composite plate 352 to the ceramic substrate 315.
  • a semiconductor element bonding step S304 is a metal matrix composite plate forming step S301 for forming a metal matrix composite plate 352 to be the circuit layer 312 (substrate body 320), and bonding the metal matrix composite plate 352 to the ceramic substrate 315.
  • a graphite plate 341 having a porosity of 10 to 30% by volume is prepared.
  • the extrusion direction in the graphite plate 341 (carbonaceous member) is oriented in a direction orthogonal to the thickness direction.
  • Holding plates 47 and 47 are disposed on both surfaces of the graphite plate 341, and a laminate of the holding plates 47 and 47 and the graphite plate 341 is held between the pressing plates 48 and 48.
  • This is heated under pressure under the same conditions as in the first and second embodiments, and the graphite plate 341 is impregnated with molten aluminum. Then, this is cooled and solidified to obtain an aluminum-based composite material.
  • a metal skin layer 312B is formed by cutting the aluminum layers 344 and 344 formed on the surface of the metal matrix composite plate 352 and adjusting the thickness.
  • a metal matrix composite plate 352 is laminated on one surface of the ceramic substrate 315 via a brazing material 354, and the brazing material on the other surface of the ceramic substrate 315.
  • a metal plate 353 is stacked via 355.
  • a brazing material foil made of Al-7.5 mass% Si and having a thickness of 10 to 12 ⁇ m is used as the brazing materials 354 and 355.
  • the laminated metal matrix composite plate 352, ceramic substrate 315, and metal plate 353 are charged in a lamination direction (pressure 1.5 to 6.0 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace and heated. As a result, a molten metal region is formed at the interface between the metal matrix composite plate 352 and the ceramic substrate 315, and a molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate 315 and the metal plate 353.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is in the range of 640 ° C. to 650 ° C.
  • the molten metal region formed at the interface between the metal matrix composite plate 352 and the ceramic substrate 315 is solidified, and the metal matrix composite plate 352 and the ceramic substrate 315 are joined.
  • the molten metal region formed at the interface between the ceramic substrate 315 and the metal plate 353 is solidified, and the ceramic substrate 315 and the metal plate 353 are joined.
  • the Ag layer 356 is formed by applying Ag paste to the bonding surface of the heat sink 30 and drying at 150 to 200 ° C. and then baking at 300 to 500 ° C. Form. Note that the thickness of the Ag paste was about 0.02 to 200 ⁇ m after drying.
  • the Ag amount in the Ag layer 356 is set to 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.
  • the Ag paste used here contains Ag powder, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the Ag powder is 60% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag paste. The remainder is made of resin, solvent and dispersant. In the present embodiment, the content of the Ag powder is 85% by mass of the entire Ag paste. In this embodiment, the viscosity of the Ag paste is 10 Pa ⁇ s or more and 500 Pa ⁇ s or less, more preferably 50 Pa ⁇ s or more and 300 Pa ⁇ s or less.
  • the Ag powder has a particle size of 0.05 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. In this embodiment, an Ag powder having an average particle size of 0.8 ⁇ m was used.
  • the solvent those having a boiling point of 200 ° C. or more are suitable, and for example, ⁇ -terpineol, butyl carbitol acetate, diethylene glycol dibutyl ether and the like can be applied. In the present embodiment, diethylene glycol dibutyl ether is used.
  • the resin is for adjusting the viscosity of the Ag paste, and is suitable to be decomposed at 500 ° C. or higher. For example, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like can be applied. In this embodiment, ethyl cellulose is used. In this embodiment, a dicarboxylic acid-based dispersant is added. In addition, you may comprise Ag paste, without adding a dispersing agent.
  • the power module substrate 310 and the heat sink 30 are stacked, charged in a stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), charged in a vacuum heating furnace, and heated.
  • a molten metal region is formed between the buffer layer 313 of the power module substrate 310 and the heat sink 30.
  • the Ag concentration in the vicinity of the Ag layer 356 of the buffer layer 313 and the heat sink 30 increases and the melting point decreases as Ag in the Ag layer 356 diffuses to the buffer layer 313 side and the heat sink 30 side. Is formed.
  • the above-mentioned pressurizing pressure is preferably in the range of 1 to 35 kgf / cm 2 .
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, and the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 630 ° C.
  • the temperature is kept constant with the molten metal region formed.
  • Ag in the molten metal region further diffuses toward the buffer layer 313 side and the heat sink 30 side.
  • the Ag concentration in the molten metal region gradually decreases, the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant.
  • the heat sink 30 and the buffer layer 313 are bonded by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).
  • a Ni film is formed on the surface of the metal skin layer 312B disposed on one surface of the circuit layer 312 (substrate body 320).
  • the semiconductor element 3 is mounted via a solder material and soldered in a reduction furnace. As a result, the semiconductor element 3 is bonded onto the power module substrate 310 via the solder layer 2, and the power module 301 according to this embodiment is manufactured.
  • the circuit layer 312 (substrate body 320) to which the semiconductor element 3 is soldered is connected to the metal matrix composite plate 352. Therefore, the thermal expansion coefficient of the circuit layer 312 (substrate body 320) approximates the thermal expansion coefficient of the semiconductor element 3, and the occurrence of cracks in the solder layer 2 can be suppressed.
  • the thermal expansion coefficient of the circuit layer 312 approximates the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate 315, the bonding reliability between the ceramic substrate 315 and the circuit layer 312 (substrate body 320) can be improved. It becomes.
  • the metal matrix composite plate 352 constituting the circuit layer 312 (substrate body 320) an aluminum-graphite composite material in which a carbonaceous member is filled with aluminum is used, and the thermal expansion coefficient is 3. Since it is within the range of 5 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or more and 15 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or less, the occurrence of cracks in the solder layer 2 can be reliably prevented.
  • the metal matrix composite plate 352 constituting the circuit layer 312 (substrate body 320) has a structure in which a carbonaceous member is filled with aluminum, so that conductivity is ensured. Therefore, the semiconductor element 3 can be electrically connected via the solder layer 2.
  • the metal skin layer 312B is formed on one surface of the circuit layer 312 (substrate body 320), the Ni film is formed on the surface of the metal skin layer 312B so that the semiconductor element 3 can be satisfactorily interposed via the solder layer 2. Can be joined. Furthermore, in this embodiment, since the metal skin layer 312B is formed on the other surface of the circuit layer 312 (substrate body 320), the bonding with the ceramic substrate 315 can be performed well.
  • the thickness of the metal skin layer 312B is set to 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, it is possible to reliably improve the bonding reliability between the circuit layer 312 (substrate body 320) and the semiconductor element 3, An increase in thermal resistance can be suppressed. Further, peeling of the metal skin layer 312B from the main body layer 312A is prevented.
  • the metal matrix composite plate 352 is arranged so that the high thermal conductivity direction is oriented in a direction perpendicular to the thickness direction.
  • the heat generated in can be spread in the direction of the plate surface, and the heat can be efficiently dissipated.
  • the buffer layer 313 made of 4N aluminum is provided on the other surface of the ceramic substrate 315, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 315 and the heat sink 30 is absorbed.
  • the reliability of the power module 301 can be improved.
  • the insulating layer is made of resin.
  • the present invention is not limited to this, and as shown in the fourth embodiment, the insulating layer is made of ceramics. May be.
  • the metal matrix composite material has been described as an aluminum-graphite composite material in which a carbonaceous member is filled with aluminum, but is not limited to this, and is filled with other metals such as aluminum alloy, copper and copper alloy. It may be.
  • the metal skin layer is formed on one surface of the substrate body.
  • the present invention is not limited to this, and the metal skin layer is formed on the other surface of the substrate body. It may be formed.
  • the bonding strength between the resin material and the substrate body can be improved by applying an alumite treatment to the surface of the metal skin layer.
  • the carbonaceous member has been described as using a graphite plate (graphite member), but the carbonaceous member is not limited to this, and even a carbonaceous member made of silicon carbide (SiC), diamond, or the like. Good.
  • the metal skin layer has been described as being formed by leaching aluminum filled in the metal matrix composite plate, but the present invention is not limited to this, and when forming the substrate body, aluminum or aluminum is used.
  • a metal skin layer may be formed by sandwiching a plate material such as an alloy between sandwiching plates.
  • heat sink top plate portion
  • A6063 aluminum alloy
  • the heat sink has fins, the structure of the heat sink is not particularly limited.
  • the substrate body is configured by stacking three or two metal matrix composite plates.
  • the present invention is not limited to this, and four or more metals are used.
  • a substrate body may be formed by stacking base composite plates.
  • the laminated metal matrix composite plates have been described as being configured to have the same thickness, but the present invention is not limited to this.
  • the thickness of one metal matrix composite plate and the other metal matrix composite plates You may comprise so that thickness may mutually differ. In this case, heat is likely to spread toward the high thermal conductivity direction of the thick metal matrix composite plate. Therefore, by controlling the thickness of the laminated metal matrix composite plate, it is possible to adjust the anisotropy of the thermal conductivity of the substrate body.
  • the ceramic substrate made of AlN has been described.
  • the present invention is not limited to this, and other ceramic materials such as Si 3 N 4 , Al 2 O 3 may be used. .
  • the metal matrix composite plate and the ceramic substrate are described as being joined by brazing using an Al—Si brazing material, but the present invention is not limited to this.
  • a brazing material other than Al-Si may be used.
  • liquid phase diffusion bonding may be performed using one or more elements selected from Cu, Ag, Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li.
  • the metal matrix composite plate and the ceramic substrate may be joined via an Ag sintered layer obtained by firing an Ag paste containing Ag powder.
  • the power module substrate and the heat sink have been described as being joined by liquid phase diffusion bonding using Ag.
  • Liquid phase diffusion bonding may be performed using one or more elements selected from Cu, Ag, Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li.
  • the metal matrix composite plate and the ceramic substrate may be joined via an Ag sintered layer obtained by firing an Ag paste containing Ag powder.
  • Example 1 The graphite member produced by the extrusion method was cut so that the extrusion direction was the plate thickness direction to prepare a graphite plate. These were set in a mold, a pure aluminum or pure copper melt was poured, and then a high pressure was applied to produce a metal matrix composite plate (aluminum-graphite composite or copper-graphite composite). In addition, a SiC plate was prepared, and after pouring a pure aluminum or pure copper melt, a metal matrix composite plate (aluminum-SiC composite material or copper-SiC composite material) was produced by applying high pressure.
  • a metal matrix composite plate aluminum-SiC composite material or copper-SiC composite material
  • the thermal conductivity of the thus produced aluminum-graphite composite material was measured in a direction parallel to and perpendicular to the plate thickness direction by a laser flash method. As a result, the thickness was 422 W / m ⁇ K in the thickness direction and 241 W / m ⁇ K in the vertical direction.
  • the thermal conductivity of the copper-graphite composite was measured by a laser flash method in a direction parallel to and perpendicular to the plate thickness direction. As a result, the thickness was 530 W / m ⁇ K in the thickness direction and 342 W / m ⁇ K in the vertical direction.
  • the thermal conductivity of the aluminum-SiC composite was measured by a laser flash method in a direction parallel to and perpendicular to the plate thickness direction.
  • the thermal conductivity of the copper-SiC composite material was measured by a laser flash method in a direction parallel to and perpendicular to the plate thickness direction. As a result, it was 221 W / m ⁇ K in the plate thickness direction and 219 W / m ⁇ K in the vertical direction.
  • An insulating layer was formed on the metal matrix composite plate described above to produce a power module substrate having the dimensions shown in Table 1.
  • the thermal expansion coefficient of this power module substrate was measured at RT to 200 ° C., and the average thermal expansion coefficient was calculated.
  • the thermal resistance Rth was measured by bonding a 10 mm square silicon chip to the power module substrate shown in Table 1 via a solder material made of Sn—Ag—Cu, and heating the silicon chip to measure the temperature.
  • the thermal resistance of the upper surface of the substrate body and the lower surface of the insulating layer was calculated by the following formula.
  • Rth (Tj ⁇ Ta) / Q Tj: silicon chip temperature
  • Ta temperature of the lower surface of the insulating layer
  • the power module substrate described above was subjected to a temperature cycle of ⁇ 40 ° C. to 125 ° C. ⁇ 3000 times (refrigerant), and the cross section of the solder part under the silicon chip was observed to evaluate the degree of progress of the cracks. Crack propagation length from the portion is 0.5 mm or less, ⁇ : crack propagation length from the end exceeds 0.5 mm, but there is no practical problem).
  • the evaluation results are shown in Table 1.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate body is smaller than that of copper or aluminum. It is also confirmed that the heat resistance is relatively small and heat can be transferred efficiently.
  • the relationship between the thickness ts (mm) of the substrate body, the area S (mm 2 ) of the substrate body, and the bonding area S 0 (mm 2 ) of the semiconductor element is 0.003 ⁇ ts / (S ⁇ S 0 ). In Inventive Example 1-9 that falls within the range of ⁇ 0.015, the thermal resistance is much lower.
  • Example 2 A graphite member produced by an extrusion method was cut to prepare a graphite plate in which the extrusion direction is in the thickness direction and a graphite plate in which the extrusion direction is in a direction perpendicular to the thickness direction. A plurality of these graphite plates were prepared and laminated so that the extrusion directions were orthogonal to each other. A laminate of graphite plates was set in a mold, a pure aluminum or pure copper melt was poured, and a metal matrix composite plate (aluminum-graphite composite material or copper-graphite composite material) was produced by applying high pressure. In this way, as shown in Table 2, a substrate body made of a plurality of metal matrix composite plates in which high heat conduction directions were arranged was produced. The X, Y, and Z directions in Table 3 are the same as those shown in FIG.
  • the average thermal expansion coefficient, thermal resistance, and solder cracks were evaluated.
  • the average coefficient of thermal expansion was determined by measuring a 50 mm square substrate body at RT to 200 ° C., and calculating the average coefficient of thermal expansion.
  • the thermal resistance Rth was evaluated as follows. First, a power module substrate having the insulating layer shown in Table 3 formed on the other surface of the substrate body was produced. A 10 mm square silicon chip was joined via a solder material made of this power module substrate Sn—Ag—Cu, the silicon chip was heated, the temperature was measured, and the thermal resistance was calculated in the same procedure as in the example. .
  • the thermal expansion coefficient of the substrate body is smaller than that of copper or aluminum. It is also confirmed that the heat resistance is relatively small and heat can be transferred efficiently.
  • Example 3 A circuit layer was formed on one surface of the ceramic substrate made of AlN, and a buffer layer was formed on the other surface of the ceramic substrate.
  • the ceramic substrate was 50 mm ⁇ 50 mm ⁇ 0.635 mm, and the circuit layer and the buffer layer were 47 mm ⁇ 47 mm ⁇ 0.6 mm.
  • a metal plate or a metal matrix composite plate having the materials shown in Table 3 was used for the circuit layer and the buffer layer.
  • the circuit layer, the buffer layer and the ceramic substrate were joined by applying a load of 75 kg at 650 ° C. in vacuum (10 ⁇ 5 Torr) using Al-7.5 mass% Si foil (thickness 15 ⁇ m). I went.
  • a 60 mm ⁇ 70 mm ⁇ 5 mm aluminum plate was prepared as a heat sink, and the heat sink and the power module substrate were joined.
  • the heat sink and the power module substrate were joined using Al-10 mass% Si foil (thickness 30 ⁇ m) in vacuum (10 ⁇ 5 Torr) at 610 ° C. with a load of 100 kg.
  • a cooler having a flow path through which a cooling medium is circulated is joined to the heat sink.
  • Fins are corrugated offset fins (pitch: 3.0 mm, height: 3.2 mm, fin thickness: 0.2 mm, fin length: 1.0 mm, material: A3003) of the same dimensions as the ceramic substrate, joined by vacuum brazing did.
  • thermal resistance was measured as follows.
  • the heater chip was repeatedly subjected to an energization time of 2 seconds and a cooling time of 8 seconds under an energization condition of 15 V and 150 A, and the temperature of the heater chip was changed in a range of 30 ° C. to 130 ° C. After performing this power cycle 100,000 times, the thermal resistance was measured. The rate of increase of the thermal resistance after the power cycle relative to the initial thermal resistance was evaluated.
  • the cooling / heating cycle was performed using TSB-51 manufactured by Espec Co., Ltd. and using Fluorinert (manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) as the liquid phase. After 2,000 ° C. ⁇ 5 minutes ⁇ ⁇ 125 ° C. ⁇ 5 minutes as one cycle, the thermal resistance was measured. The rate of increase of the thermal resistance after the cooling cycle with respect to the initial thermal resistance was evaluated. The evaluation results are shown in Table 3.
  • Comparative Examples 201 to 204 in which the circuit layer is formed of a 4N aluminum plate having a purity of 99.99% by mass or more it is confirmed that the rate of increase in thermal resistance after power cycle loading is high. This is presumably because cracks occurred in the solder layer.
  • inventive examples 201 to 207 in which the circuit layer is formed of the metal matrix composite plate the thermal resistance after the power cycle load is suppressed. This is presumably because cracks in the solder layer were suppressed.
  • the rate of increase in thermal resistance after the cooling / heating cycle is suppressed. Is confirmed.
  • the heat generated from the semiconductor element can be efficiently dissipated, and the occurrence of cracks in the solder layer interposed between the semiconductor element and the semiconductor element can be suppressed even when a cooling cycle is applied.

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

　板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記基板本体は、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で構成されていることを特徴とする。

Description

パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
　この発明は、例えば大電流、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。
　本願は、２０１０年０２月０５日に日本に出願された特願２０１０－０２４７０５号及び２０１０年０２月０５日に日本に出願された特願２０１０－０２４７０６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は発熱量が比較的高い。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１－３に記載されているように、ヒートシンクの上に絶縁層として樹脂層が形成され、この樹脂層の上に銅板からなる基板本体が配設された絶縁基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、基板本体の上にはんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（シリコンチップ）が搭載される。
　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、熱伝導率の高い銅板からなる基板本体において板面方向（積層方向に直交する方向）に拡げられた上で、熱伝導率の低い樹脂層を介してヒートシンク側へと放散される。
　ここで、前述のパワーモジュール用基板の絶縁層における放熱特性は、以下に示す熱抵抗Ｒｔｈによって表現される。
　　　　　　　　　Ｒｔｈ＝（１／ｋ）・（ｔ／Ｓ）
　Ｒｔｈ：熱抵抗、ｋ：熱伝導率、ｔ：絶縁層の厚さ、Ｓ：絶縁層の面積
また、例えば特許文献４に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板（絶縁層に相当）の一方の面側に、回路層（基板本体に相当）となる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広く用いられている。
　ところで、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／℃であり、基板本体を構成する銅やアルミニウムの熱膨張係数と大きく異なっている。このため、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おそれがあった。
　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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、冷熱サイクルの温度差が大きく、上述のはんだ層にクラックが発生しやすい傾向にある。
　基板本体をＣｕ－Ｍｏ合金で構成することにより、基板本体の熱膨張係数を、半導体素子の熱膨張係数に近似させて、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、Ｃｕ－Ｍｏ合金の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋと低くなるため、熱を十分に拡げることができず、半導体素子で発生した熱を効率良く放散することができない。
　本発明は、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。
特開２００７－１４２０６７号公報 特開２００４－１６５２８１号公報 特開２００６－１１４７１６号公報 特開２００５－２１９７７５号公報
　本発明のパワーモジュール用基板は、板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記基板本体は、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で構成されている。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の熱膨張係数を、銅等の金属の熱膨張係数よりも小さく設定することができ、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。
　本発明のパワーモジュール用基板の第一態様は、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おり、前記基板本体における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されている。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の厚さを厚くしても熱を厚さ方向に向けて伝達させることが可能となる。よって、基板本体の厚さを厚くすることにより、板面方向に向けての熱の拡散を促進させることができ、基板本体において半導体素子から発生する熱を拡げて放散させることができる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第一態様において、前記基板本体の厚さｔｓ（ｍｍ）と前記基板本体の面積Ｓ（ｍｍ２）と前記半導体素子の接合面積Ｓ０（ｍｍ２）とが、０．００３≦ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）≦０．０１５の範囲内とされていてもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の面積Ｓに対してその厚さｔｓの厚さが確保され、基板本体の面積Ｓ全体に亘って熱を拡げることができる。また、必要以上に基板本体の板厚が厚くならず、厚さ方向の熱の伝達を効率良く行うことが可能となる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第二態様は、前記基板本体は、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複数積層されている。この金属基複合材料は、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。前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向と、他の金属基複合板における高熱伝導率方向とが、互いに異なるように構成されている。
　この構成のパワーモジュール用基板では、半導体素子から発生した熱が、基板本体のそれぞれの金属基複合板において、互いに異なる方向に優先的に放散されることから、熱の放散を効率良く行うことが可能となる。なお、一の金属基複合板と他の金属基複合板のそれぞれの厚さを調整することにより、熱の放散方向を調整することが可能となる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第二態様では、前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されていてもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板では、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記基板本体の厚さ方向（すなわち、基板本体とヒートシンクとの積層方向）を向くように構成されている。よって、他の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記厚さ方向以外を向くことになるので、この他の金属基複合板において熱を拡がるように放散することができる。また、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記基板本体の厚さ方向（積層方向）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ヒートシンク側へと優先的に放散させることができる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第二態様では、前記基板本体においては、３枚の金属基複合板が積層されており、第１金属基複合板の高熱伝導率方向と、第２金属基複合板の高熱伝導率方向と、第３金属基複合板の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されていてもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、熱を３方向に分散して放散させることが可能となる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第二態様において、前記第１金属基複合板と、前記第２金属基複合板と、前記第３金属基複合板とが、それぞれ同一の厚さで構成されていてもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体全体では熱伝導率の異方性が改善されることになる。よって、等方材で構成された基板本体と同様に取り扱うことが可能となる。
　本発明のパワーモジュール用基板の第三態様は、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。前記基板本体における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向と直交する方向を向くように構成されている。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の厚さを厚くしなくても、基板本体の板面方向に向けて熱を十分に拡げることが可能となる。
　本発明のパワーモジュール用基板においては、前記基板本体の熱膨張係数が８×１０－６／℃以下とされていてもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の熱膨張係数が、半導体素子を構成するＳｉ等の熱膨張係数に近似することになる。よって、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。
　本発明のパワーモジュール用基板においては、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以上とされていてもよい。
　この構成の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的に放散させることができる。
　本発明のパワーモジュール用基板においては、前記金属基複合材料が、アルミニウムまたはアルミニウム合金が炭素質部材中に充填されてなるアルミニウム基複合材料であってもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、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簡単に充填することができる。また、高熱伝導率方向で、熱伝導率が４００～４５０Ｗ／ｍ・Ｋ、室温から２００℃までの熱膨張係数が６～８×１０－６／℃、高熱伝導率方向に直交する方向で、熱伝導率が２００～２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、室温から２００℃までの熱膨張係数が２～４×１０－６／℃となる。よって、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。
　本発明のパワーモジュール用基板においては、前記金属基複合材料が、銅または銅合金が炭素質部材中に充填されてなる銅基複合材料であってもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、熱伝導率が５００～６５０Ｗ／ｍ・Ｋ、室温から２００℃までの熱膨張係数が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。
　本発明のパワーモジュール用基板においては、前記基板本体の一方の面側には、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てもよい。
　この構成のパワーモジュール用基板においては、前記基板本体の一方の面側に、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。
　本発明のパワーモジュールは、上述のパワーモジュール用基板と、前記基板本体の一方の面上に搭載される半導体素子と、を備えている。
　この構成のパワーモジュールにおいては、半導体素子から発生する熱を基板本体において拡げてヒートシンク側へと熱を効率的に放散することが可能となる。また、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におけるＡ－Ａ断面矢視図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の断面説明図である。 図１、図２に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 基板本体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断面説明図である。 図６に示すパワーモジュール用基板に備えられた基板本体の斜視図である。 図７に示す基板本体の断面説明図である。 図７に示す基板本体の製造方法の説明図である。 図７の基板本体に備えられた第１金属基複合板における熱の伝達状況を示す説明図である。 図７の基板本体に備えられた第２金属基複合板における熱の伝達状況を示す説明図である。 図７の基板本体に備えられた第３金属基複合板における熱の伝達状況を示す説明図である。 本発明の第３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１３におけるＡ－Ａ断面矢視図である。 図１３に示すパワーモジュール用基板に備えられた基板本体の断面説明図である。 本発明の第４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断面説明図である。 本発明の第４の実施形態における回路層（基板本体）の断面説明図である。 本発明の第４の実施形態であるパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 本発明の第４の実施形態であるパワーモジュールの回路層（基板本体）を構成する金属基複合板の製造方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
　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。
　まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図５を用いて説明する。
　このパワーモジュール１は、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２において上面）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２において下面）側に配設されたヒートシンク３０と、を備えている。ここで、はんだ層２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。
　ヒートシンク３０は、パワーモジュール用基板１０上に搭載された半導体素子３を冷却するものである。ヒートシンク３０は、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部３１と、この天板部３１から垂設された放熱フィン３２とを備えている。ヒートシンク３０（天板部３１）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、板状をなす基板本体２０を備えている。この基板本体２０の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層１５が形成されており、この絶縁層１５を介してヒートシンク３０が配設されている。なお、絶縁層１５を構成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料や、これらの樹脂材料に向きフィラーを混合したもの等が挙げられる。
　基板本体２０は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料で構成されている。
　また、この基板本体２０の一方の面（図２及び図３において上側）には、炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層２５が形成されている。図２に示すように、この金属スキン層２５の上には、Ｎｉめっき層５が形成されている。このＮｉめっき層５の上にはんだ層２を介して半導体素子３が搭載される。
　ここで、本実施形態においては、基板本体２０を構成する金属基複合材料は、平均面間隔ｄ００２が０．３４０ｎｍ以下とされた炭素質部材中に、純度９９．９８％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いる。基板本体２０を構成する金属基複合材料は、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、前述の金属スキン層２５は、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
　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、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。一方、押出方向に交差する方向においては、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。このように、基板本体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。
　ここで、基板本体２０の熱膨張係数（室温から２００℃まで）は、８×１０－６／℃以下とされている。また、基板本体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。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。
　基板本体２０の厚さｔｓ（ｍｍ）と、基板本体２０の面積Ｓ（ｍｍ２）と、半導体素子３の接合面積Ｓ０（ｍｍ２）との関係は、０．００３≦ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）≦０．０１５とされている。
　絶縁層１５の厚さｔｉと基板本体２０の厚さｔｓとの比ｔｉ／ｔｓが０．０１≦ｔｉ／ｔｓ≦０．３０とされている。
　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基板本体２０を形成する（基板本体形成工程Ｓ１）。この基板本体形成工程Ｓ１について図５を参照して説明する。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４７，４７を配設する。この挟持板４７，４７と黒鉛板４１とを、ステンレス製の押圧板４８，４８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に含浸させる。これを冷却凝固させることで、アルミニウム－グラファイト複合材料からなる基板本体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（基板本体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、金属スキン層２５が形成される。
　次に、図４に示すように、基板本体２０の他方の面側に絶縁層１５を形成する（絶縁層形成工程Ｓ２）。この絶縁層形成工程Ｓ２においては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を塗布、硬化させることによって形成してもよい。これらの樹脂材料からなる板材を接着剤等で接合してもよい。
　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。
　次に、このパワーモジュール用基板１０の他方の面側にヒートシンク３０（天板部３１）を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ３）。このヒートシンク接合工程Ｓ３においては、樹脂材料からなる絶縁層１５に、ヒートシンク３０の天板部３１を、例えばエポキシ、接着剤等の接合材を用いて接合する。
　また、パワーモジュール用基板１０の一方の面側に形成された金属スキン層２５の表面にＮｉめっき膜５を形成する（Ｎｉめっき工程Ｓ４）。このＮｉめっき工程Ｓ４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、パワーモジュール用基板１０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素子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Ｓ５）。
　これにより、はんだ層２を介して半導体素子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。
　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、基板本体２０が、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料、より具体的には、アルミニウム－グラファイト複合材料で構成されているので、基板本体２０の熱膨張係が８×１０－６／℃以下と比較的小さくなり、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、基板本体２０が、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、基板本体２０における高熱伝導率方向が、基板本体２０の厚さ方向を向くように構成されているので、基板本体２０の板厚を厚くしても熱を厚さ方向に伝達させることができる。よって、基板本体２０の厚さを厚くすることで板面方向に向けての熱の拡散を促進させることが可能となる。これにより、半導体素子３から発生する熱を拡げて放散させることができる。
　また、基板本体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、基板本体２０の板厚を厚くしたとしても熱を効率良く板厚方向に伝達させることができる。
　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、具体的には、２００～２５０Ｗ／ｍ・Ｋとされているので、板厚を厚くすることによって効率的に熱を板面方向に拡散させることができる。
　よって、半導体素子３から発生する熱を、板面方向に拡散させるとともに板厚方向に伝達させることにより、熱の放散を効率良く行うことができる。
　さらに、基板本体２０の厚さｔｓ（ｍｍ）と、基板本体２０の面積Ｓ（ｍｍ２）と、半導体素子３の接合面積Ｓ０（ｍｍ２）との関係式ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）が、０．００３以上とされているので、基板本体２０の面積Ｓに対して厚さｔｓが確保され、熱を板面方向に確実に拡散させることができる。また、ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）が０．０１５以下とされているので、必要以上に基板本体２０の板厚が厚くならず、厚さ方向の熱の伝達を効率良く行うことが可能となる。
　また、本実施形態では、基板本体２０の厚さｔｓと絶縁層１５の厚さｔｉとの比ｔｉ／ｔｓが０．０１≦ｔｉ／ｔｓ≦０．３０とされているので、基板本体２０において熱を板面方向に十分に拡散した上で絶縁層１５を介してヒートシンク３０へと熱を放散することができる。
　また、基板本体２０の一方の面側に、金属スキン層２５が形成されており、この金属スキン層２５の上にＮｉめっき膜５が形成されているので、はんだ層２を介して半導体素子３を確実に搭載することができる。
　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、半導体素子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。また、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子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、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６から図１２を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
　このパワーモジュール用基板１１０は、板状をなす基板本体１２０を備えている。この基板本体１２０の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層１１５が形成されており、この絶縁層１１５を介してヒートシンク３０が配設されている。本実施形態では、第１の実施形態とは、基板本体１２０の構成が異なっている。
　基板本体１２０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２枚以上積層されて構成されており、本実施形態では、図６、図７及び図８に示すように、第１金属基複合板１２１、第２金属基複合板１２２及び第３金属基複合板１２３の３枚の金属基複合板１２１、１２２、１２３が積層されている。また、この基板本体１２０の一方の面（図６、図７及び図８において上側）には、金属スキン層１２５が形成されている。この金属スキン層１２５の上には、Ｎｉめっき層５が形成されている。このＮｉめっき層５の上にはんだ層２を介して半導体素子３が搭載される。
　本実施形態においては、第１金属基複合板１２１、第２金属基複合板１２２及び第３金属基複合板１２３を構成する金属基複合材料は、第１の実施形態における金属基複合材料と同じ構成のアルミニウム基複合材料で構成されている。すなわち、炭素質部材に純度９９．９８％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いる。また、前述の金属スキン層１２５は、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
　ここで、第１金属基複合板１２１、第２金属基複合板１２２及び第３金属基複合板１２３を構成する金属基複合材料は、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。
　そして、図７に示すように、第１金属基複合板１２１は、高熱伝導率方向が図７において左右方向（Ｘ方向）となるように配置されている。第２金属基複合板１２２は、高熱伝導率方向が図７において左下右上方向（Ｙ方向）となるように配置されている。第３金属基複合板１２３は、高熱伝導率方向が図７において上下方向（Ｚ方向）となるように配置されている。第１金属基複合板１２１の高熱伝導率方向と、第２金属基複合板１２２の高熱伝導率方向と、第３金属基複合板１２３の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されている。
　また、第１金属基複合板１２１の板厚ｔ１、第２金属基複合板１２２の板厚ｔ２及び第３金属基複合板１２３の板厚ｔ３は、互いに等しくなるように構成されている。
　以下に、基板本体１２０の製造方法について説明する。
　まず、気孔率１０～３０体積％の黒鉛板（炭素質部材）を準備する。このとき、黒鉛板（炭素質部材）の押出方向が板面に沿うように形成されたものを２枚準備し、これらの押出方向が直交するように２枚の黒鉛板１４１、１４２を積層する。さらに、黒鉛板（炭素質部材）の押出方向が板厚方向を向くように形成されたものを１枚準備し、この黒鉛板１４３を２枚の黒鉛板１４１、１４２の下側に積層する。
　次に、図９に示すように、この黒鉛板１４１、１４２、１４３の積層体１４５の両面に挟持板４７、４７、を配設する。挟持板４７、４７と積層体１４５とを、押圧板４８、４８によって挟持する。これを、第１の実施形態と同様の条件で加圧加熱して、溶融アルミニウムを黒鉛板１４１、１４２，１４３に含浸させる。そして、これを冷却凝固させ、アルミニウム基複合材料を得る。基板本体１２０の表面に滲み出して形成されたアルミニウム層１４４，１４４に切削加工を施して厚さを調整することにより、金属スキン層１２５が形成される。
　次に、本実施形態であるパワーモジュール１０１及びパワーモジュール用基板１１０の作用について説明する。
　半導体素子３から発生した熱は、まず、図１０に示すように、基板本体１２０の上面側に配置された第１金属基複合板１２１において、幅方向（図１０において左右方向）に拡がっていく。
　次に、第１金属基複合板１２１において幅方向に拡げられた熱は、図１１に示すように、第２金属基複合板１２２において、奥行き方向（図１１において上下方向）に拡げられる。
　そして、第１金属基複合板１２１及び第２金属基複合板１２２によって基板本体１２０の全面に拡げられた熱は、図１２に示すように、第３金属基複合板１２３によって厚さ方向に伝達され、ヒートシンク３０側へと放散される。
　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１１０及びパワーモジュール１０１においては、基板本体１２０が、第１金属基複合板１２１、第２金属基複合板１２２及び第３金属基複合板１２３の３枚の金属基複合板が積層されており、第３金属基複合板１２３の高熱伝導率方向が基板本体１２０の厚さ方向（基板本体１２０とヒートシンク３０との積層方向）を向くように構成されているので、半導体素子３から発生した熱をヒートシンク３０側へと放散させることができる。
　そして、基板本体１２０が、アルミニウム基複合材料で構成されていることから、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、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、熱を効率的に放散させることが可能となる。
　第１金属基複合板１２１の高熱伝導率方向と、第２金属基複合板１２２の高熱伝導率方向と、第３金属基複合板１２３の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されているので、図１０から図１２に示すように、半導体素子３から発生した熱が、第１金属基複合板１２１と第２金属基複合板１２２とによって基板本体１２０の全面に拡げられ、その後、第３金属基複合板１２３を通じてヒートシンク３０側へと放散される。よって、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することができる。
　しかも、本実施形態においては、高熱伝導率方向が互いに直交するように配置された第１金属基複合板１２１、第２金属基複合板１２２及び第３金属基複合板１２３が、それぞれ同一厚さとされているので、基板本体１２０全体では熱伝導率の異方性が改善されて等方性を示す。よって、等方性材料で構成された基板本体と同様に取り扱うことが可能となる。
　また、基板本体１２０の一方の面側には、金属スキン層１２５が形成されているので、この金属スキン層１２５にＮｉめっき層５を形成し、はんだ層２を介して半導体素子３を搭載することができる。これにより、基板本体１２０と半導体素子３とを確実に接合することができ、パワーモジュール１０１の信頼性を大幅に向上することができる。
　次に、本発明の第３の実施形態について図１３から図１５を参照して説明する。なお、第１、２の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
　このパワーモジュール２０１及びパワーモジュール用基板２１０は、板状をなす基板本体２２０を備えている。この基板本体２２０の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層２１５が形成されており、この絶縁層２１５を介してヒートシンク３０が配設されている。
　この第３の実施形態であるパワーモジュール用基板２１０においては、基板本体２２０の構成が第１、第２の実施形態と異なっている。
　第３の実施形態においては、図１３に示すように、パワーモジュール用基板２１０は、搭載される半導体素子３の大きさに対して奥行き方向（図１３において上下方向）に拡がりがなく、幅方向（図１３において左右方向）のみに拡がりを有している。
　そして、基板本体２２０は、図１４及び図１５に示すように、第１金属基複合板２２１及び第２金属基複合板２２２の２枚の金属基複合板が積層された構成とされている。また、この基板本体２２０の一方の面（図１４及び図１５において上側）には、金属スキン層２２５が形成されている。この金属スキン層２２５の上には、Ｎｉめっき層５が形成されている。このＮｉめっき層５の上にはんだ層２が形成され、半導体素子３が搭載される。
　ここで、本実施形態においては、第１金属基複合板２２１及び第２金属基複合板２２２を構成する金属基複合材料は、第１、第２の実施形態と同様に、炭素質部材中に純度９９．９８％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基複合材料で構成されている。
　また、前述の金属スキン層２２５は、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
　そして、本実施形態においては、図１５に示すように、第１金属基複合板２２１は、高熱伝導率方向が図１５において左右方向（Ｘ方向）となるように配置されている。第２金属基複合板２２２は、高熱伝導率方向が図１５において上下方向（Ｚ方向）となるように配置されている。すなわち、第１金属基複合板２２１の高熱伝導率方向と、第２金属基複合板２２２の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されている。
　また、第１金属基複合板２２１の板厚ｔ１及び第２金属基複合板２２２の板厚ｔ２は、互いに等しくなるように構成されている。
　以上のような構成とされた第３の本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びパワーモジュール２０１においては、半導体素子３から発生した熱が、第１金属基複合板２２１によって幅方向（図１４及び図１５において左右方向）に拡げられ、基板本体２２０の全面に熱が拡げられる。そして、第２金属基複合板２２２によって、ヒートシンク３０側へと熱が放散される。
　よって、半導体素子３から発生した熱を効率良く放散させることが可能となる。
　次に、本発明の第４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について、図１６から図２０を用いて説明する。
　このパワーモジュール３０１は、パワーモジュール用基板３１０と、このパワーモジュール用基板３１０の一方の面（図１６において上面）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３１０の他方の面（図１６において下面）側に配設されたヒートシンク３０と、を備えている。
　パワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１５と、セラミックス基板３１５の一方の面に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１５の他方の面に配設された緩衝層３１３と、を備えている。
　セラミックス基板３１５は、回路層３１２と緩衝層３１３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３１５の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされており、本実施形態では、０．６３５ｍｍとされている。
　緩衝層３１３は、セラミックス基板３１５の他方の面に、金属板３５３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、緩衝層３１３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）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板３１５に接合されることで形成されている。なお、この緩衝層３１３の厚さは、０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされており、本実施形態では、２．０ｍｍとされている。
　そして、回路層３１２は、セラミックス基板３１５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３５２が接合されることにより形成されている。
　このように、本実施形態においては、回路層３１２が基板本体３２０とされ、セラミックス基板３１５が絶縁層とされている。なお、回路層３１２（基板本体３２０）となる金属基複合板３５２の熱膨張係数が３．５×１０－６／℃以上１５×１０－６／℃以下の範囲内とされている。
　回路層３１２（基板本体３２０）は、本体層３１２Ａと、本体層３１２Ａの一面及び他面に形成された金属スキン層３１２Ｂと、を備えている。
　本実施形態においては、本体層３１２Ａの厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦３．９８ｍｍとされ、金属スキン層３１２Ｂの厚さｔ２が、０．０１ｍｍ≦ｔ２≦０．５ｍｍとされている。
　ここで、本実施形態においては、回路層３１２（基板本体３２０）を構成する金属基複合板３５２は、第１～第３の実施形態と同様に、炭素質部材中に純度９９．９８％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基複合材料で構成されている。また、前述の金属スキン層３１２Ｂは、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
　ここで、金属基複合板３５２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。
　ここで、回路層３１２（基板本体３２０）においては、金属基複合板３５２の高熱伝導率方向が厚さ方向（セラミックス基板３１５との積層方向）に対して直交する方向を向くように配置されている。
　以下に、本実施形態であるパワーモジュール３０１の製造方法について説明する。このパワーモジュール３０１の製造方法は、回路層３１２（基板本体３２０）となる金属基複合板３５２を形成する金属基複合板形成工程Ｓ３０１と、この金属基複合板３５２をセラミックス基板３１５に接合してパワーモジュール用基板３１０を製出するセラミックス基板接合工程Ｓ３０２と、パワーモジュール用基板３１０とヒートシンク３０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ３０３と、回路層３１２（基板本体３２０）の一面に半導体素子３を接合する半導体素子接合工程Ｓ３０４と、を備えている。
　金属基複合板形成工程Ｓ３０１においては、気孔率１０～３０体積％の黒鉛板３４１を準備する。このとき、黒鉛板３４１（炭素質部材）における押出方向が厚さ方向に対して直交する方向を向くものとする。この黒鉛板３４１の両面に挟持板４７、４７、を配設し、この挟持板４７、４７と黒鉛板３４１の積層体を、押圧板４８、４８によって挟持する。これを、第１、第２の実施形態と同様の条件で加圧加熱して、溶融アルミニウムを黒鉛板３４１に含浸させる。そして、これを冷却凝固させ、アルミニウム基複合材料を得る。金属基複合板３５２の表面に滲み出して形成されたアルミニウム層３４４，３４４に切削加工を施して厚さを調整することにより、金属スキン層３１２Ｂが形成される。
　セラミックス基板接合工程Ｓ３０２においては、図２０に示すように、セラミックス基板３１５の一方の面にろう材３５４を介して金属基複合板３５２を積層し、かつ、セラミックス基板３１５の他方の面にろう材３５５を介して金属板３５３を積層する。ここで、本実施形態では、ろう材３５４，３５５として、Ａｌ－７．５質量％Ｓｉからなる厚さ１０～１２μｍのろう材箔を用いている。
　積層された金属基複合板３５２、セラミックス基板３１５、金属板３５３を積層方向に加圧（圧力１．５～６．０ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。これにより、金属基複合板３５２とセラミックス基板３１５との界面に溶融金属領域を形成し、セラミックス基板３１５と金属板３５３との界面に溶融金属領域を形成する。
　ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６４０℃以上６５０℃以下の範囲内としている。
　そして、これを冷却することによって、金属基複合板３５２とセラミックス基板３１５との界面に形成された溶融金属領域が凝固し、金属基複合板３５２とセラミックス基板３１５とが接合される。セラミックス基板３１５と金属板３５３との界面に形成された溶融金属領域が凝固し、セラミックス基板３１５と金属板３５３とが接合される。
　ヒートシンク接合工程Ｓ３０３においては、図２０に示すように、ヒートシンク３０の接合面に、Ａｇペーストを塗布して、１５０～２００℃で乾燥した後に３００～５００℃で焼成を行うことによりＡｇ層３５６を形成する。なお、Ａｇペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２～２００μｍとした。また、Ａｇ層３５６におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
　ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有し、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
　また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下とされている。
　Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
　溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α－テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
　樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
　また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
　次に、パワーモジュール用基板３１０とヒートシンク３０とを積層し、積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。これにより、パワーモジュール用基板３１０の緩衝層３１３とヒートシンク３０との間に溶融金属領域を形成する。
　この溶融金属領域は、Ａｇ層３５６のＡｇが緩衝層３１３側及びヒートシンク３０側に拡散することによって、緩衝層３１３及びヒートシンク３０のＡｇ層３５６近傍のＡｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
　なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、パワーモジュール用基板３１０の緩衝層３１３とヒートシンク３０との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、ヒートシンク３０が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
　ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６３０℃以下の範囲内としている。
　次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇが、さらに緩衝層３１３側及びヒートシンク３０側へと拡散していく。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。つまり、ヒートシンク３０と緩衝層３１３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されている。
　半導体素子接合工程Ｓ３０４においては、回路層３１２（基板本体３２０）の一面に配設された金属スキン層３１２Ｂの表面にＮｉ膜を形成する。このＮｉ膜の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
　これにより、はんだ層２を介して半導体素子３がパワーモジュール用基板３１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール３０１が製出される。
　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３１０、パワーモジュール３０１によれば、半導体素子３がはんだ接合される回路層３１２（基板本体３２０）が、金属基複合板３５２とされているので、回路層３１２（基板本体３２０）の熱膨張係数が、半導体素子３の熱膨張係数と近似することになり、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る。
　また、回路層３１２の熱膨張係数が、セラミックス基板３１５の熱膨張係数にも近似することになるため、セラミックス基板３１５と回路層３１２（基板本体３２０）との接合信頼性を向上させることが可能となる。
　特に、本実施形態では、回路層３１２（基板本体３２０）を構成する金属基複合板３５２として、炭素質部材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を使用しており、熱膨張係数が３．５×１０－６／℃以上１５×１０－６／℃以下の範囲内とされているので、はんだ層２におけるクラックの発生を確実に防止することができる。
　なお、回路層３１２（基板本体３２０）を構成する金属基複合板３５２は、炭素質部材にアルミニウムを充填した構造とされているので、導電性が確保されることになる。よって、はんだ層２を介して半導体素子３と電気的に接続することができる。
　また、回路層３１２（基板本体３２０）の一面に金属スキン層３１２Ｂが形成されているので、金属スキン層３１２Ｂの表面にＮｉ膜を形成することで、はんだ層２を介して半導体素子３を良好に接合することができる。さらに、本実施形態では、回路層３１２（基板本体３２０）の他面にも金属スキン層３１２Ｂが形成されているので、セラミックス基板３１５との接合も良好に行うことができる。
　本実施形態では、金属スキン層３１２Ｂの厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下に設定されているので、回路層３１２（基板本体３２０）と半導体素子３との接合信頼性を確実に向上することができ、熱抵抗の上昇を抑えることができる。また、金属スキン層３１２Ｂが本体層３１２Ａから剥離することが防止される。
　さらに、本実施形態では、回路層３１２（基板本体３２０）において、金属基複合板３５２の高熱伝導率方向が厚さ方向に対して直交する方向を向くように配置されているので、半導体素子３で発生した熱を板面方向に広げることができ、効率よく熱を放散させることができる。
　また、本実施形態では、セラミックス基板３１５の他方の面に、４Ｎアルミニウムからなる緩衝層３１３が設けられているので、セラミックス基板３１５とヒートシンク３０との熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収することができ、パワーモジュール３０１の信頼性を向上させることができる。
　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、第１～第３の実施形態において、絶縁層を樹脂で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、第４の実施形態に示すように、絶縁層をセラミックスで構成してもよい。
　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、銅及び銅合金等の他の金属を充填したものであってもよい。
　第１～第３の実施形態においては、基板本体の一方の面に金属スキン層を形成したもので説明したが、これに限定されることはなく、基板本体の他方の面に金属スキン層を形成してもよい。例えば、Ａｌからなる金属スキン層を介して樹脂材料を接合する場合には、金属スキン層の表面にアルマイト処理を施すことで、樹脂材料と基板本体との接合強度を向上させることができる。
　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、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、基板本体を形成する際に、アルミニウム又はアルミニウム合金等の板材を挟持板の間に挟みこんで、金属スキン層を形成してもよい。
　さらに、ヒートシンク（天板部）をＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金等の他の金属等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとしてフィンを有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
　また、第２、第３の実施形態において、金属基複合板を３枚あるいは２枚積層して基板本体を構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、４枚以上の金属基複合板を積層して基板本体を構成してもよい。
　さらに、積層された金属基複合板をそれぞれ同一厚さとなるように構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、一の金属基複合板の厚さと他の金属基複合板の厚さとを互いに異なるように構成してもよい。この場合、厚く形成された金属基複合板の高熱伝導率方向に向けて熱が拡がりやすくなる。よって、積層された金属基複合板の厚さを制御することによって、基板本体の熱伝導率の異方性を調整することが可能となる。
　第４の実施形態において、ＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックス材料であってもよい。
　第４の実施形態において、金属基複合板とセラミックス基板とを、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材を用いたろう付けによって接合する構成として説明したが、これに限定されることはない。Ａｌ－Ｓｉ系以外のろう材を用いてもよい。また、Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の元素を用いて液相拡散接合してもよい。また、Ａｇ粉末を含むＡｇペーストを焼成したＡｇ焼結層を介して金属基複合板とセラミックス基板とを接合してもよい。
　さらに、第４の実施形態において、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合を、Ａｇを用いた液相拡散接合によって接合する構成として説明したが、これに限定されることはない。Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の元素を用いて液相拡散接合してもよい。また、ろう材を介して接合してもよい。また、Ａｇ粉末を含むＡｇペーストを焼成したＡｇ焼結層を介して金属基複合板とセラミックス基板とを接合してもよい。さらに、はんだ材を介して接合してもよい。
　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。
（実施例１）
　押出法で製造した黒鉛部材を、押出方向が板厚方向となるように切断し、黒鉛板を準備した。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。また、ＳｉＣ板を準備し、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－ＳｉＣ複合材または銅―ＳｉＣ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。
　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。
　アルミニウム－ＳｉＣ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１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で１７８Ｗ／ｍ・Ｋであった。
　銅－ＳｉＣ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２２１Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で２１９Ｗ／ｍ・Ｋであった。
　これらの金属基複合板を用いて、平均熱膨張係数、熱抵抗、はんだクラックについて評価した。
　上述の金属基複合板に絶縁層を形成して、表１に示す寸法のパワーモジュール用基板を製出した。このパワーモジュール用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、表１に示すパワーモジュール用基板に、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、基板本体上面と絶縁層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：絶縁層下面の温度、Ｑ（Ｗ）：半導体チップ発熱量
　はんだクラックについては、上述のパワーモジュール用基板を温度サイクル－４０℃～１２５℃×３０００回（冷媒）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）。
　評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、基板本体の熱膨張係数が銅やアルミニウムに比べて小さくなっていることが確認される。また、熱抵抗も比較的小さく、効率的に熱を伝達することが可能であることが確認される。
　特に、基板本体の厚さｔｓ（ｍｍ）と基板本体の面積Ｓ（ｍｍ２）と半導体素子の接合面積Ｓ０（ｍｍ２）との関係が、０．００３≦ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）≦０．０１５の範囲内とされた本発明例１－９においては、熱抵抗が一段と低くなっている。
（実施例２）
　押出法で製造した黒鉛部材を切断し、押出方向が厚さ方向を向く黒鉛板及び押出方向が厚さ方向と直交する方向を向く黒鉛板を準備した。
　これらの黒鉛板を複数枚準備し、それぞれの押出方向が互いに直交するように積層した。黒鉛板の積層体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、表２に示すように、高熱伝導方向が配置された複数枚の金属基複合板からなる基板本体を製出した。なお、表３におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向は、図７に示したものと同一である。
　これらの基板本体を用いて、平均熱膨張係数、熱抵抗、はんだクラックについて評価した。
　平均熱膨張係数は、５０ｍｍ角の基板本体をＲＴ～２００℃で測定し、平均熱膨張係数を算出した。
　熱抵抗Ｒｔｈは、次のようにして評価した。まず、基板本体の他方の面に表３に示す絶縁層を形成したパワーモジュール用基板を製出した。このパワーモジュール用基板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、実施例と同様の手順で熱抵抗を算出した。
　はんだクラックについては、実施例１と同様の手順で評価した。
　評価結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、基板本体の熱膨張係数が銅やアルミニウムに比べて小さくなっていることが確認される。また、熱抵抗が比較的小さく、効率的に熱を伝達することが可能であることが確認される。
（実施例３）
　ＡｌＮからなるセラミックス基板の一方の面に回路層を形成し、かつ、セラミックス基板の他方の面に緩衝層を形成した。なお、セラミックス基板は５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍとし、回路層及び緩衝層は４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍとした。
　なお、回路層、緩衝層は、表３に示す材質の金属板あるいは金属基複合板を用いた。また、回路層、緩衝層とセラミックス基板との接合は、Ａｌ－７．５質量％Ｓｉ箔（厚さ１５μｍ）を用いて真空中（１０－５Ｔｏｒｒ）、６５０℃で、７５ｋｇの荷重を加えて行った。
　また、ヒートシンクとして６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板を準備し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した。ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合は、Ａｌ－１０質量％Ｓｉ箔（厚さ３０μｍ）を用いて真空中（１０－５Ｔｏｒｒ）、６１０℃で、１００ｋｇの荷重を加えて行った。
　このヒートシンクに、冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器を接合した。フィンはセラミックス基板と同寸法のコルゲートオフセットフィン（ピッチ：３．０ｍｍ，高さ：３．２ｍｍ、フィン厚さ：０．２ｍｍ、フィン長：１．０ｍｍ、材質：Ａ３００３）を真空ロウ付けで接合した。
　評価として、パワーサイクル試験と冷熱サイクル試験を実施し、パワーサイクル及び冷熱サイクル負荷時の熱抵抗の変化を評価した。
　熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝１：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
　パワーサイクルは、ヒータチップに、１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電時間２秒、冷却時間８秒を繰り返し実施し、ヒータチップの温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。このパワーサイクルを１０万回実施した後、熱抵抗を測定した。パワーサイクル後の熱抵抗の初期熱抵抗に対する上昇率を評価した。
　冷熱サイクルは、エスペック株式会社製ＴＳＢ－５１を用いて、液相としてフロリナート（住友スリーエム株式会社製）を使用して実施した。－４０℃×５分←→１２５℃×５分を１サイクルとして２０００サイクル実施した後、熱抵抗を測定した。冷熱サイクル後の熱抵抗の初期熱抵抗に対する上昇率を評価した。
　評価結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　純度が９９．９９質量％以上とされた４Ｎアルミニウム板によって回路層を形成した比較例２０１～２０４においては、パワーサイクル負荷後の熱抵抗の上昇率が高くなっていることが確認される。これは、はんだ層にクラックが発生したためと推測される。
　これに対して、金属基複合板によって回路層を形成した本発明例２０１～２０７においては、パワーサイクル負荷後の熱抵抗が抑制されている。はんだ層におけるクラックの発生が抑制されたためと推測される。
　また、金属スキン層を形成し、かつ、金属スキン層の厚さを１０μｍ以上５００μｍ以下とした本発明例２０２、２０３、２０５については、冷熱サイクル後の熱抵抗の上昇率が抑制されていることが確認される。
　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でき、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る。
１、１０１、２０１、３０１　パワーモジュール
２　はんだ層
３　半導体素子
１０、１１０、２１０、３１０　パワーモジュール用基板
１５、１１５、２１５　絶縁層
２０、１２０、２２０、３２０　基板本体
２５、１２５、２２５、３１２Ｂ　金属スキン層
３１５　セラミックス基板（絶縁層）

Claims (14)

  1. 　板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体は、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で構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  2. 　請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　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おり、
    　前記基板本体における高熱伝導率方向が、前記基板本体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パワーモジュール用基板。
  3. 　請求項２に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体の厚さｔｓ（ｍｍ）と前記基板本体の面積Ｓ（ｍｍ２）と前記半導体素子の接合面積Ｓ０（ｍｍ２）との関係が、０．００３≦ｔｓ／（Ｓ－Ｓ０）≦０．０１５の範囲内とされている。
  4. 　請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体は、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複数積層されてなり、
    　この金属基複合材料は、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、
    　前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向と、他の金属基複合板における高熱伝導率方向とが、互いに異なるように構成されている。
  5. 　請求項４に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されている。
  6. 　請求項４または請求項５に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体においては、３枚の金属基複合板が積層されており、
    　第１金属基複合板の高熱伝導率方向と、第２金属基複合板の高熱伝導率方向と、第３金属基複合板の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されている。
  7. 　請求項６に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記第１金属基複合板と、前記第２金属基複合板と、前記第３金属基複合板とが、それぞれ同一の厚さで構成されている。
  8. 　請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　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おり、
    　前記基板本体における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向と直交する方向を向くように構成されている。
  9. 　請求項１から請求項８に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体の熱膨張係数が８×１０－６／℃以下とされている。
  10. 　請求項１から請求項９に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　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。
  11. 　請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記金属基複合材料が、アルミニウムまたはアルミニウム合金が炭素質部材中に充填されてなるアルミニウム基複合材料である。
  12. 　請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記金属基複合材料が、銅または銅合金が炭素質部材中に充填されてなる銅基複合材料である。
  13. 　請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
    　前記基板本体の一方の面側には、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スキン層が形成されている。
  14. 　請求項１から請求項１３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基板本体の一方の面上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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