JP2004200566A

JP2004200566A - 放熱体及びその製造方法、パワーモジュール用基板、パワーモジュール

Info

Publication number: JP2004200566A
Application number: JP2002369846A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Takeshi Negishi; 健根岸; Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】加工性が良好で軽量化を図り、充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ることができること。
【解決手段】放熱体１６は、熱膨張係数の小さい特性を有する材料によって形成された低密度成形体１７に、金属製の高熱伝導材１８が含浸されて形成される。低密度成形体１７を構成する低熱膨張材としては、鉄ニッケル系合金であり、例えばインバー合金からなっている。高熱伝導材１８としては、例えばＣｕ、又はその合金、或いはＡｌ若しくはその合金のような熱伝導率の良好な材質によって形成されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放熱体及びその製造方法と、パワーモジュール用基板と、パワーモジュールとに係り、特に大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられて、半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるのに好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のパワーモジュール用基板にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板の一方の面に回路層を、他方の面に放熱体を各々備え、この放熱体の絶縁基板と対向する面に、冷却水等の冷却手段を備えた冷却シンク部を備えた構成のものが一般的である。
このようなパワーモジュール用基板に設けられる放熱体は、絶縁基板と接合するために低熱膨張係数の特性を有することが要求される一方、絶縁基板に搭載された半導体チップの熱を放熱するために高熱伝導性も要求される。
【０００３】
これらの要求を満たすため、放熱体として、セラミックス仮焼結体にＡｌを含浸したＡｌＳｉＣや、Ｃｕを含浸したＣｕＳｉＣ、更にはカーボンにＡｌ又はＣｕを含浸したＡｌＣ又はＣｕＣなどが知られているが、金属系としては、従来では、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）の仮焼結体にＣｕを含浸したＣｕＭｏやＣｕＷが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５８２６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパワーモジュール用基板において、放熱体がＡｌＳｉＣ、ＣｕＳｉＣで構成されると、金属とセラミックスとからなるので、加工性に劣る問題がある。しかも、ＡｌとＣとの場合、またＣｕとＣとの場合、つまり金属とカーボンとの接合体のであるので、完全な接合性を得ることができにくく、強度上の問題もあり、しかも絶縁基板と高温によって接合されたとき、熱膨張係数の違いにより大きな反りを発生するという問題もあった。
一方、ＣｕＭｏやＣｕＷの場合では、重量が大きくなる問題もあった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、加工性が良好で軽量化を図り、また充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ることができる放熱体及びその製造方法と、その放熱体を有するパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、金属製の高熱伝導材の溶湯を含浸させて放熱体を形成することを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、鉄ニッケル系合金からなる低密度成形体に金属製の高熱伝導材の溶湯を含浸することで形成されるので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となるので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、金属製の高熱伝導材の溶湯を含浸させてコア体を形成し、次いで、前記コア体を高熱伝導材からなる金属板で挟着して放熱体を形成することを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低密度成形体に高熱伝導材の溶湯を含浸させてコア体を形成し、これを高熱伝導材からなる金属板で挟着して放熱体を形成するので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となるので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の放熱体の製造方法において、前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする。
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、金属板が熱間圧延又は冷間圧延でコア体を挟着するので、放熱体を強固に形成することができ、良好な放熱体を形成できる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１記載の放熱体又は請求項２記載のコア体は、前記低密度成形体に対し前記高熱伝導材の溶湯を高圧鋳造することを特徴とする。
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低密度成形体に高熱伝導材が高圧鋳造されることで放熱体を形成するので、低密度成形体と高熱伝導材とを確実に一体に形成することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体において、鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体と、該低密度成形体に含浸により一体に形成された金属製の高熱伝導材とにより形成することを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、低密度成形体と、これに含浸によって一体に形成された高熱伝導材とで形成されるので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となることで、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体において、鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、高熱伝導材を含浸により一体に形成されたコア体と、該コア体を挟着し、かつ高熱伝導材からなる金属板とにより形成することを特徴とする。
【００１６】
この発明に係る放熱体によれば、低密度成形体及びこれに一体に形成された高熱伝導材によってコア体と、これを挟着する金属板とで形成されるので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となることで、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項５又は６記載の放熱体において、前記低密度成形体は、所望の気孔率を有する気孔部を設けていることを特徴とする。
この発明に係る放熱体によれば、高熱伝導材を含浸させると、高熱伝導材の溶湯が低密度成形体の気孔部に入り込むことで、低密度成形体内の熱伝導率を高めることができ、これにより、低熱膨張係数を有する材質で形成されてあっても、良好な熱伝導を得ることができる。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項５〜７のいずれか記載の放熱体において、前記高熱伝導材は、Ｃｕと、その合金と、Ａｌと、その合金とのいずれかであることを特徴とする。
この発明に係る放熱体によれば、高熱伝導材がＣｕとその合金とＡｌとその合金とのいずれかからなるので、鉄ニッケル系合金と確実に接合することができ、良好な放熱体を形成することができる。
【００１９】
請求項９に係る発明は、請求項５〜８のいずれか記載の放熱体を、絶縁基板に取り付けることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、それだけ信頼性が高まる。
【００２０】
請求項１０に係る発明は、請求項９記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、それだけ信頼性が高まる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１から図４はこの発明の第１の実施の形態に係る放熱体を示す図であって、図１は放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図、図２は放熱体を示す説明用斜視図、図３は放熱体を製造するときの説明図、図４は低密度成形体を型締めする説明図である。
図１に示すパワーモジュール１０は、被放熱体としてのパワーモジュール用基板１１に放熱体１６が接合して構成されている。
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成された絶縁基板であって、その上面に回路層１２が積層接合されると共に、その下面に金属層１３が積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。以下、パワーモジュール用基板１１を「絶縁基板１１」と略称する。
【００２２】
絶縁基板１１の回路層１２上には、図１に示すように、はんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１により、放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュール１０が構成されている。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００２３】
この実施形態の放熱体１６は、図２に示すように、熱膨張係数の小さい低熱膨張係数の特性を有する材料によって形成された低密度成形体１７に、これより熱膨張係数の大きい材質からなる金属製の高熱伝導材１８が含浸されて形成されている。
【００２４】
即ち、低密度成形体１７を構成する低熱膨張材としては、いわゆる鉄ニッケル系合金であり、例えばインバー合金からなっている。インバー合金（以下、インバーと略称す）は、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。高熱伝導材１８としては、例えばＣｕ、又はその合金、或いはＡｌ若しくはその合金のような熱伝導率の良好な材質によって形成されている。
【００２５】
低密度成形体１７は、インバーの粉末が金型によって成形されることで低密度の状態に形成され、内外部に図３に示すように気孔部１７ａが設けられる。これは例えば、図４に示すように、インバーの粉末１９が焼結金型３１で型締めされることで低密度成形体１７が形成されたとき、その低密度成形体１７に気孔部１７ａが必然的に形成されるものである。焼結金型３１に限らず、通常の成形金型で成形してもよい。このような気孔部１７ａは、インバーの粉末１９の場合、４０〜７０％程度の気孔率からなっている。
なお、図４に示す焼結金型３１は、ダイ３２のキャビティ内にコア３３がセットされると低熱膨張材の粉末１９が充填され、その状態でパンチ３４が下降することで、図３のような低密度成形体１７が形成される。
【００２６】
また、低密度成形体１７の成形に際し、インバーの粉末１９のみならず、それ以外の他の金属製の低熱膨張材が混入されてあってもよく、例えば線状に形成されたフィラー等を混入させてもよく、要は、その後に含浸すべき高熱伝導材より小さい低熱膨張材であって、その高熱伝導材との接合性が良好な鉄ニッケル系合金であればよい。
【００２７】
そして、低密度成形体１７が形成された後、その低密度成形体１７を放熱体成形金型に入れ、次いで、その金型に高熱伝導材１８の溶湯を含浸すると、その溶湯が気孔部１７ａ内に充満し、その状態で硬化させることで、放熱体１６が、図１及び図２に示すように低密度成形体１７と、これに鋳ぐまれた高熱伝導材１８とによって形成されるようになっている。この場合、高熱伝導材１８の溶湯が高圧鋳造されることで、低密度成形体１７内の気孔部１７ａに確実に充填されるようになっている。なお、図１、図２に示す高熱伝導材１８、及び図３に示す気孔部１７ａは説明の都合上、極端に描かれている。
【００２８】
このようにして形成された放熱体１６は、例えば熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上で、熱膨張係数が絶縁基板１１の熱膨張係数αの±４０％程度、つまり４×１０^−６／Ｋ＜α＜１０×１０^−６／Ｋの大きさとなっている。この場合、放熱体１６全体における低密度成形体の占める割合としては、体積含有率（断面積比率ともいう）が少なくとも３０％以上、好ましいのは５０％以上である。
【００２９】
このように、放熱体１６がインバーのような低熱膨張材によって形成された低密度成形体１７に、高熱伝導材１８の溶湯を鋳ぐるむことで形成されると、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、放熱体１６と絶縁基板１１間の熱膨張係数の差を小さくして絶縁基板１１に近づけることができる。そのため、両者１６、１１をはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合した場合、放熱体１６に絶縁基板１１に向かうような反りが発生するのを防止することができると共に、絶縁基板１１から放熱体１６への熱伝達が良好に行われることとなる。
【００３０】
この実施形態の放熱体１６は、前述したように、インバーのような低熱膨張材からなる低密度成形体１７に高熱伝導材１８の溶湯を含浸させることで形成され、従って、従来のようにカーボンを使用しておらず、全ての構成材料が金属となることで加工性が良好になると共に、構成部材間の接合性が良好となる。また、ＭｏやＷも使用していないので、放熱体１６自体を軽量化することができ、ひいては絶縁基板１１全体の軽量化を図ることができると共に、それだけパワーモジュール１０を軽量化できる。
【００３１】
また、低密度成形体１７に高熱伝導材１８を高圧鋳造によって鋳込むと、高熱伝導材１８が低密度成形体中の気孔部１７ａの隅々まで流れ込み、しかも低密度成形体１７と高熱伝導材１８とが互いに金属結合してアンカーボルト効果が作用するので、高熱伝導材１８と低密度成形体１７との接合性を強固にすることができ、強固な接合性が得られる。
しかも、低密度成形体１７は、高熱伝導材１８に比較すると、熱伝達率が落ちるものの、気孔部１７ａに高熱伝導材１８が入り込むことで、放熱体１６としての熱伝達が低下するのを回避することができ、低密度成形体１７内における熱伝導を良好に行うことができる。
【００３２】
従って、この実施形態によれば、構成部材が全て金属であって重い材料が使用されていないことから、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を確実に形成でき、これにより、絶縁基板１１及びパワーモジュール１０としての信頼性を高めることができる。
【００３３】
図５は、この発明の第２の実施の形態の放熱体を示している。
この実施の形態においては、低密度成形体１７に高熱伝導材１８の溶湯を含浸させることでコア体２４を形成した後、次いで、高熱伝導材１８と同程度の高熱伝導材からなる金属板２５を用意し、これらの金属板２５、２５でコア体２４を挟着することで放熱体１６が構成される。この金属板２５は、コア体２４中における高熱伝導材１８との接合性を考慮すれば、高熱伝導材１８と同一であることが好ましいが、異なってもよい。
【００３４】
従って、前述した実施形態の放熱体の場合と同様にしてコア体２４を形成した後、これを金属板２５で挟着することで放熱体１６が形成されることとなる。その場合、金属板２５は、熱間圧延又は冷間圧延加工されることでコア体２０を確実にかつ強固に挟着することができる。このようにして形成された放熱体１６の熱伝導率及び熱膨張率は、前述した実施形態の場合と同程度に構成される。
【００３５】
この実施形態によれば、低密度成形体１７に高熱伝導材１８を含浸させて形成されたコア体２４を用いるので、基本的には第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができ、しかも、コア体２４が金属板２５で挟着されるので、第１の実施形態に比較すると、絶縁基板１１と放熱体１６間での熱伝導がいっそう良好なり、放熱作用がいっそう高まる利点もある。
【００３６】
なお、上記実施の形態において、低密度成形体１７又はコア体２４として、インバーを用いた例を示したが、他の低熱膨張材を用いてもよく、例えば、４２合金のような低熱膨張材によって形成してもよい。４２合金によって形成された低密度成形体の場合、気孔率が５０％程度若しくはそれより低くなるが、インバーの場合には３０〜７０％の気孔率が得られる。これらの気孔率の大きさは、使用する低熱膨張材の材質、含浸すべき高熱伝導材１９の材質、目標とすべき熱伝導率や熱膨張係数の値によって適宜選定すればよい。また上記の材質以外にもスーパーインバー等を用いてもよく、いずれにしろ、低熱膨張材として鉄ニッケル系合金であればよく、図示実施形態に限定されるものではない。
更に、放熱体１６に冷却シンク部２０を設けた構成を示したが、この形態に限らず、放熱体１６表面にろう材を介してコルゲートフィンを設ける構成としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、鉄ニッケル系合金からなる低密度成形体に金属製の高熱伝導材を含浸し、構成材料が全て金属となる放熱体を形成するようにしたので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化でき、熱伝導と放熱特性に優れた良好な放熱体を製造できる効果が得られる。
【００３８】
請求項２に係る発明によれば、低密度成形体に高熱伝導材の溶湯を含浸させてコア体を形成し、これを金属板で挟着して放熱体を形成することで、請求項１と同様全ての構成材料が金属となるので、加工性が良好で、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体の軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れた良好な放熱体を製造できる効果が得られる。
【００３９】
請求項３に係る発明によれば、放熱体を強固に形成することができるという効果が得られる。
【００４０】
請求項４に係る発明によれば、低密度成形体に高熱伝導材が高圧鋳造されることで放熱体を形成するので、低密度成形体と高熱伝導材とを確実に一体に形成できるという効果が得られる。
【００４１】
請求項５に係る発明によれば、低密度成形体と、これに含浸によって一体に形成された高熱伝導材とで形成されるので、加工性が良好で、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体の軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れる効果が得られる。
【００４２】
請求項６に係る発明によれば、全ての構成材料が金属であることにより、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れる効果が得られる。
【００４３】
請求項７に係る発明によれば、低密度成形体内の熱伝導率を高めることができ、低熱膨張材で形成されてあっても、良好な熱伝導を得るという効果が得られる。
【００４４】
請求項８に係る発明によれば、高熱伝導材がＣｕとその合金とＡｌとその合金とのいずれかからなるので、鉄ニッケル系合金と確実に接合することができ、良好な放熱体を形成することができる。
【００４５】
請求項９に係る発明によれば、加工性が良好で軽量化を図り、かつ構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、パワーモジュール用基板としての信頼性が高まる効果が得られ、特に窒化アルミのような基板にろう付けのような高温で放熱体を接合するのに有益となる。
【００４６】
請求項１０に係る発明によれば、加工性が良好で軽量化を図り、かつ構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、パワーモジュールとしての信頼性が高まる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】放熱体を示す説明用斜視図である。
【図３】図１及び図２における放熱体を製造するときの説明図である。
【図４】低密度成形体を型締めする説明図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態に係る放熱体を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１０パワーモジュール
１１パワーモジュール用基板（絶縁基板）
１６放熱体
１７低密度成形体
１８高熱伝導材
１９インバーの粉末
２４コア体
２５金属板
３０半導体チップ

Claims

伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、
鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、金属製の高熱伝導材の溶湯を含浸させて放熱体を形成することを特徴とする放熱体の製造方法。
伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、
鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、金属製の高熱伝導材の溶湯を含浸させてコア体を形成し、
次いで、前記コア体を高熱伝導材からなる金属板で挟着して放熱体を形成することを特徴とする放熱体の製造方法。
請求項２記載の放熱体の製造方法において、
前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする放熱体の製造方法。
請求項１記載の放熱体又は請求項２記載のコア体は、前記低密度成形体に対し前記高熱伝導材の溶湯を高圧鋳造することを特徴とする放熱体の製造方法。
伝達される熱を放熱させる放熱体において、
鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体と、該低密度成形体に含浸により一体に形成された金属製の高熱伝導材とにより形成することを特徴とする放熱体。
伝達される熱を放熱させる放熱体において、
鉄ニッケル系合金により形成された低密度成形体に、金属製の高熱伝導材を含浸により一体に形成されたコア体と、該コア体を挟着し、かつ高熱伝導材からなる金属板とにより形成することを特徴とする放熱体。
請求項５又は６記載の放熱体において、
前記低密度成形体は、所望の気孔率を有する気孔部を設けていることを特徴とする放熱体。
請求項５〜７のいずれか記載の放熱体において、
前記高熱伝導材は、Ｃｕと、その合金と、Ａｌと、その合金とのいずれかであることを特徴とする放熱体。
請求項５〜８のいずれか記載の放熱体を、絶縁基板に取り付けることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項９記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とするパワーモジュール。