JP2004266002A - 放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁基板及び放熱体の双方の熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下することを抑制することができる放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いた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。
【解決手段】被放熱体の熱を放熱させる放熱体１６であって、放熱体本体１７と，放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備え、放熱体本体１７は、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる板状体１７ａ，及び純Ａｌ又はＡｌ合金からなる鋳造体１７ｂを備えた積層体をなし、かつ板状体１７ａが放熱体本体１７の各最外層に配設された構成をなし、低熱膨張材１８は、板状体１７ａ同士の間に鋳造体１７ｂにより鋳包まれている。
【選択図】 図１
【解決手段】被放熱体の熱を放熱させる放熱体１６であって、放熱体本体１７と，放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備え、放熱体本体１７は、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる板状体１７ａ，及び純Ａｌ又はＡｌ合金からなる鋳造体１７ｂを備えた積層体をなし、かつ板状体１７ａが放熱体本体１７の各最外層に配設された構成をなし、低熱膨張材１８は、板状体１７ａ同士の間に鋳造体１７ｂにより鋳包まれている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝導されることから、パワーモジュール用基板に伝わる熱を放熱する必要がある。
このような被放熱体としてのパワーモジュール用基板は、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着される（例えば、特許文献１参照）。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であって、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収する応力緩和層をなす構成であり、これにより、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止でき、放熱体が良好な放熱作用を果たすこともできるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来では、被放熱体としてのパワーモジュール用基板に設けられた可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板，放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、そのため、放熱体の放熱効果が悪くなっていた。
【０００５】
一般に、放熱体は、被放熱体との間で互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防止するために、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。この場合、熱膨張係数の低い方（被放熱体）に合わせることになるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な放熱効果との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【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、被放熱体と間で熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができるとともに、熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いた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】
前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、被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、板状体同士の間に、該板状体の熱膨張係数より低い材質からなり，かつ一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し，かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられた低熱膨張材を配した後、前記各板状体により前記低熱膨張材を狭持した状態で、前記板状体同士の間に該板状体と材質が異なる溶湯を注入し、前記低熱膨張材を鋳包むことを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、前記低熱膨張材を放熱体本体に鋳包む際に予め、板状体により低熱膨張材を狭持しておき、この状態で板状体同士の間に溶湯を注入して、前記低熱膨張材を放熱体本体に鋳包むため、放熱体の厚み方向及び沿面方向に対する低熱膨張材の配設位置が高精度に位置決めされる。すなわち、低熱膨張材を放熱体本体に鋳包む際に、低熱膨張材に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材の放熱体本体に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材は板状体により狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材の前記配設位置のずれ発生が抑制されることになる。これにより、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させて放熱体を形成することができ、量産品質を確保できるようになる。さらに併せて、低熱膨張材の前記位置ずれに起因した、低熱膨張材の放熱体（本体）表面への露出も抑制されるため、被放熱体が載置される放熱体本体表面を平滑面となり、絶縁基板と放熱体とを良好に密着させることができ、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
また、放熱体と，この放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に生じるように、板状体の厚さを各別に異ならせる設定を容易に行うことができるようになる。このように板状体の厚さを各別に設定することにより、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となり、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
さらに、板状体同士の間にこれら板状体と材質が異なる溶湯を注入するため、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。
【０００９】
請求項２に係る発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、放熱体本体と，該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体は、板状体，及び該板状体と材質が異なる鋳造体を少なくとも備えた積層体をなし、かつ前記板状体が前記放熱体本体の各最外層に各々配設された構成をなし、前記低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有し、かつ前記板状体同士の間に前記連絡開口部を介して前記鋳造体により鋳包まれて配設されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体内部に低熱膨張材が配設されているので、放熱体の熱膨張係数が可及的に小さくなり、これにより、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することを確実に抑制する。また、放熱体本体が積層体をなし、この積層体の各最外層に板状体が配設されているので、放熱体の被放熱体との当接面が平滑面となる。これにより、放熱体と被放熱体とが互いに良好に密着することになり、被放熱体からの熱が放熱体へ確実に伝導することになる。さらに、低熱膨張材が放熱体本体の内部に前記連絡開口部を介して鋳包まれて配設されているので、放熱体内部に低熱膨張材が設けられた構成においても、放熱体の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体が連通することになり、放熱体の熱伝導率の低下が抑制される。
以上により、放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるようになる。
さらにまた、鋳造体は板状体と材質が異なっているため、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の放熱体において、前記板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、前記鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る放熱体によれば、板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなるので、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。また、純Ａｌ又はＡｌ合金は、鋳造性に優れているため鋳造欠陥の発生が抑制され、従って、放熱体全体の熱伝導率の低下が最小限に抑制される。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の放熱体において、前記板状体が圧延材であることを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、板状体が圧延材であるため、板状体に内在する空孔等の内部欠陥の含有が最小限に抑制され、放熱体の熱伝導率の低下が抑制される。すなわち、放熱体本体全体が例えば，鋳造体である場合、巣を始めとする内部欠陥が発生する場合があり、この内部欠陥が放熱体内部における熱の伝導を阻害することになるため、放熱体全体の熱伝導率の低下を招くことがある。しかしながら、前述したように板状体が圧延材の場合、前記内部欠陥が形成される場合が少ないため、前記熱伝導率の低下が最小限に抑制される。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項２から４のいずれかに記載の放熱体において、前記各板状体の厚さは、放熱体において、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より小さいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより厚く形成する一方、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より大きいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより薄く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、各板状体の厚さが前述のように設定されているので、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項２から５のいずれかに記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする。
【００１８】
この発明に係る放熱体によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、絶縁基板と，該絶縁基板の一方の面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記放熱体は、請求項２から６のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が請求項２から６のいずれかに記載の放熱体であるので、この放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるため、反り発生抑制効果と熱伝導率の低下抑制効果との双方を有するパワーモジュール用基板を提供できるようになる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、請求項７記載のパワーモジュール用基板において、前記絶縁基板の前記一方の面に金属層を、他方の面に回路層を各々備え、前記金属層及び前記回路層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，又はＣｕ合金からなることを特徴とする。
【００２２】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュール用基板が確実に得られる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項７又は８に記載のパワーモジュール用基板の前記絶縁基板の他方の面側に、チップを搭載してなることを特徴とする。
【００２４】
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００２５】
【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はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と，放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、絶縁基板１１の上面に回路層１２が，下面に金属層１３がそれぞれ積層接合されている。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，Ｃｕ合金等により形成され、はんだ付け又はろう付け等により絶縁基板１１上下面に積層接合されている。
【００２６】
絶縁基板１１上面に設けられた回路層１２上面に、はんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、絶縁基板１１下面に設けられた金属層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下面に冷却シンク部３１が設けられている。このように構成されたパワーモジュールＰにおいては、絶縁基板１１側から放熱体１６に伝導された熱が、冷却シンク部３１内の冷却液（或いは冷却空気）３２により外部に放熱される構成となっている。尚、放熱体１６は、冷却シンク部３１に取付ねじ３３によって密着した状態で取付けられている。
【００２７】
ここで、放熱体１６は放熱体本体１７と，放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備えている。
放熱体本体１７は、図２に示すように、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる板状体１７ａと，純Ａｌ又はＡｌ合金からなる鋳造体１７ｂとを備えた積層体をなし、且つ板状体１７ａが放熱体本体１７の各最外層，すなわち絶縁基板１１側，及び冷却シンク部３１側に各々配設された構成となっている。ここで、板状体１７ａは圧延材により形成されている。
【００２８】
一方、低熱膨張材１８は、図３に示すように、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつこの厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部４０を有して設けられている。この低熱膨張材１８は、図２に示すように、放熱体本体１７（放熱体１６）の前記厚み方向の略中央部に連絡開口部４０を介して、鋳造体１７ｂに鋳包まれて配設されている。
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図３に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１，４２を前記厚み方向に沿って組付けることで連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けられるとともに、連絡開口部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成されている。
【００２９】
ここで、放熱体本体１７のうち板状体１７ａは、前述したように、純Ｃｕ又はＣｕ合金，好ましくは純度９９．９％以上の高純度Ｃｕによって形成され、鋳造体１７ｂは、純Ａｌ又はＡｌ合金，好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金によって形成されており、従って、放熱体本体１７は全体として変形抵抗が小さく，且つ熱伝導性の良好な材質，いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上，好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなっており、鋳造体１７ｂに鋳包む，すなわち放熱体本体１７の内部に埋設することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差が可及的に近づく構成となっている。この低熱膨張材１８は、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ５×１０−６／℃以下である。ここで、インバー合金とは、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。
以上のように構成されたパワーモジュールＰにおいては、絶縁基板１１側の熱膨張係数が放熱体１６側の熱膨張係数より小さくなっており、この場合、絶縁基板１１側の板状体１７ａの厚さが冷却シンク部３１側の板状体１７ａの厚さより厚く形成されている。
【００３０】
以上のように構成された放熱体１６を形成する製造方法について説明する。
まず、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる圧延材の板状体１７ａ同士の間に、低熱膨張材１８を配した後、各板状体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持した状態で、低熱膨張材１８側面側から純Ａｌ又はＡｌ合金からなる溶湯を注入する。この際、溶湯はまず、低熱膨張材１８の連絡開口部４０に至る。ここで、低熱膨張材１８は、図３において前述したように、連絡開口部４０が厚み方向に連絡しているため、連絡開口部４０に至った溶湯は低熱膨張材１８を狭持している各板状体１７ａの低熱膨張材１８との当接面にまで至る。そして、この溶湯を冷却硬化することで、放熱体１６の最外層を構成する各板状体１７ａ同士を接合するとともに，低熱膨張材１８を鋳包む鋳造体１７ｂが形成され、放熱体１６が形成される。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板１０によれば、放熱体１６が、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８を備えているので、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、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【００３２】
このため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ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に向かう反りが発生することを確実に抑制することができる。これにより、放熱体１６を冷却シンク部３１に取り付けても、冷却シンク部３１と放熱体１６との間に間隙が発生することを防止することができ、放熱体１６から冷却シンク部３１へ高効率に熱を伝導することができる。
【００３３】
しかも、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２，絶縁基板１１，金属層１３，はんだ１５，放熱体１６及び冷却シンク部３１を介して外部に良好に放熱されることになる。すなわち、パワーモジュールＰ全体としての熱伝導率が低下することを抑制することができ、結果として、半導体チップ３０の温度上昇をも抑制することができる。
【００３４】
ここで、絶縁基板１１側の板状体１７ａの厚さを冷却シンク部３１側の板状体１７ａの厚さより厚く形成しているので、鋳造体１７ｂを形成する際、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう反りが発生することになる。また、この放熱体１６を絶縁基板１１と接合する際、絶縁基板１１の熱膨張係数は放熱体１６の熱膨張係数より小さいので、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう方向に反りが発生しようとする。この際、放熱体１６には、鋳造体１７ｂを形成した際に絶縁基板１１から遠ざかる方向に反りが生じているので、これらの各反りが互いに相殺し合うことになり、結果として放熱体１６と絶縁基板１１との双方を平坦とすることができ、これらを良好に互いに密着させることができる。
すなわち、放熱体１６と，この放熱体１６の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の絶縁基板１１とをはんだ接合した際に放熱体１６に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包む際に放熱体１６全体に生じるように、板状体１７ａの厚さを絶縁基板１１側と冷却シンク部３１側とで各別に異ならせる設定を容易になすことができるようになり、放熱体１６と絶縁基板１１とを良好に密着させることができ、絶縁基板１１の熱を放熱体１６に確実に伝導させる構成を容易に形成することができる。
【００３５】
また、低熱膨張材１８を放熱体本体１７に鋳包む際に予め、板状体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持しておき、この状態で低熱膨張材１８の側面側から溶湯を注入するため、放熱体１６の厚み方向，及び沿面方向に対する低熱膨張材１８の配設位置を高精度に位置決めすることができる。すなわち、低熱膨張材１８を放熱体本体１７に鋳包む際に、低熱膨張材１８に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材１８の放熱体本体１７に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材１８は板状体１７ａにより狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材１８の配設位置のずれ発生を抑制することができる。これにより、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させてパワーモジュール用基板１０を形成することができ、量産品質を確保することができる。
【００３６】
さらに併せて、形成される放熱体１６の各最外層に板状体１７ａが配設されるので、放熱体１６表面に低熱膨張材１８が露出することを抑制することができ、絶縁基板１１が載置される放熱体１６表面を平滑面とすることを容易に実現することができる。ここで、前述したように、板状体１７ａを圧延材としているため、放熱体１６の絶縁基板１１との当接面を平滑面とすることをより確実に実現することができる。従って、放熱体１６と絶縁基板１１との各当接面を互いに一様に密着させることができ、絶縁基板１１からの熱を放熱体１６に確実に伝導することができる。
【００３７】
また、低熱膨張材１８が、鋳造体１７ｂにより連絡開口部４０を介して鋳包まれて配設されているので、放熱体１６内部に低熱膨張材１８が設けられた構成においても、放熱体１６の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体１７が連通することになり、放熱体１６の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。従って、放熱体１６の熱膨張率の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。また、板状体１７ａと鋳造体１７ｂとが各々異種材料から形成されているので、絶縁基板１１側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体１６全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体１６と絶縁基板１１とをはんだ接合する際，及びパワーモジュールＰとして使用する際に放熱体１６に発生する反りを確実に抑制することができる。さらに、鋳造体１７ｂを形成する純Ａｌ又はＡｌ合金は、良好な湯流れを実現する等，鋳造性に優れているため鋳造欠陥の発生を抑制することができ、従って、放熱体１６全体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。
【００３８】
さらに、板状体１７ａが圧延材であるため、板状体１７ａに内在する空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができ、放熱体１６の熱伝導率の低下を抑制することができる。すなわち、放熱体本体１７全体が例えば，鋳造体である場合、巣を始めとする内部欠陥が発生し易いが、この場合、放熱体１６内部を熱が伝導する際、前記内部欠陥が熱伝導を阻害することになるため、放熱体１６全体の熱伝導率の低下を招くことになる。しかしながら、前述したように板状体１７ａが圧延材の場合、前記内部欠陥が発生する場合が少ないため、前記熱伝導率の低下を抑制することができる。
【００３９】
さらにまた、低熱膨張材１８が、帯状の単位板状体４１，４２を同列位置で互いに組付けて連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３に形成し、連鎖状体４３を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に連絡開口部４０の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部４０を有する低熱膨張材１８を確実に形成することができる。
【００４０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、放熱体本体１７に設けられた低熱膨張材１８として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金を用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ），４２アロイ，モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
【００４１】
また、放熱体１６表面に冷却シンク部３１を設けた構成を示したが、この構成に限らず、コルゲートフィンを設けた構成としてもよい。すなわち、放熱体１６表面にろう材を介して接合された接合部と、接合部の一端に設けられ接合部と直交して立上がる立上がり部と、立上がり部の上端に設けられ接合部に平行且つ離間する方向に延びる平坦部と、平坦部の一端に設けられ平坦部に直交且つ放熱体１６に向かって折返る折返し部とを備えた突出部を、放熱体１６の沿面方向に沿って繰返し連続して設けた構成としてもよい。なお、この構成においては、立上がり部と平坦部と折返し部と放熱体１６表面とが空間を形成することになる。
【００４２】
さらに、放熱体１６が取り付けられる絶縁基板１１として、放熱体１６側の面に金属層１３が設けられた例を示したが、金属層１３を設けず絶縁基板１１をろう材を介して放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
また、低熱膨張材１８に替えて，いわゆるコルゲート，コルゲートルーバ， 厚さ方向にエキスパンドした断面矩形の連絡開口部４０を有するエキスパンド構造，若しくは前述した実施形態で示したいわゆる，ハニカム構造を一層設けたもの，又は前記各構成のうちの一つを複数積層させた構成としてもよい。
【００４３】
さらにまた、絶縁基板１１側の板状体１７ａにおいて、絶縁基板１１側の表面を平滑面としたが、この表面において、絶縁基板１１が接合される領域を、絶縁基板１１側へ凸とする台座部を形成してもよい。この場合、板状体１７ａは圧延材ではなく鋳造により形成してもよい。また、各板状体１７ａの低熱膨張材１８側の表面において、任意の領域を凹ませて形成してもよく、さらに、波形の凹凸形状を付与する等してもよく、平滑面に限らない。
また、低熱膨張材１８表裏面を板状体１７ａを介して狭持した状態で、その後、低熱膨張材１８の側面から溶湯を注入したが、低熱膨張材１８を一方の板状体１７ａ上へ載置した後、低熱膨張材１８をシリコン粒子により埋設し、そして、低熱膨張材１８上に他方の板状体１７ａを載置した後、各板状体１７ａを介してこれらを押圧し、その後、溶湯を注入してもよい。
【００４４】
【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、放熱体の厚み方向に対する低熱膨張材の配設位置を高精度に位置決めすることができるため、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させてパワーモジュール用基板を形成することができ、量産品質を確保することができる。また、絶縁基板が載置される放熱体表面を平滑面とすることを容易且つ確実に実現することができ、放熱体と絶縁基板とを互いに一様に密着させることができるため、絶縁基板からの熱を放熱体に確実に伝導することができる。さらに、放熱体と，この放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の絶縁基板とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に生じるように、板状体の厚さを各別に異ならせて設定することが容易になる。さらにまた、溶湯は板状体と材質が異なっているため、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができる。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生することを確実に抑制することができる。また、放熱体の絶縁基板との当接面を平滑面とする構成を確実に実現することができる。さらに、放熱体内部に低熱膨張材が設けられた構成においても、放熱体の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体が連通することになり、放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。従って、放熱体の熱膨張率の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。さらに、放熱体本体と鋳造体とは各々異なる材質により形成されているので、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができる。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなるので、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができるとともに、放熱体自体の熱伝導率の低下発生を最小限に抑制することができる。
【００４７】
請求項４に係る発明によれば、板状体が圧延材であるため、板状体に内在する空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができ、放熱体の熱伝導率の低下を抑制することができる。
【００４８】
請求項５に係る発明によれば、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導することができる。
【００４９】
請求項６に係る発明によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００５０】
請求項７に係る発明によれば、この放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるため、反り発生抑制効果と熱伝導率の低下抑制効果との双方を有するパワーモジュール用基板を提供することができる。
【００５１】
請求項８に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュール用基板が確実に得られる。
【００５２】
請求項９に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施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】図１に示す放熱体の断面側面図である。
【図３】図２に示す低熱膨張材の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１６ 放熱体
１７ 放熱体本体
１７ａ 板状体
１７ｂ 鋳造体
１８ 低熱膨張材
３０ 半導体チップ（チップ）
４０ 連絡開口部
４１，４２ 単位板状体
４３ 連鎖状体
Ｐ パワーモジュール
【発明の属する技術分野】
この発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝導されることから、パワーモジュール用基板に伝わる熱を放熱する必要がある。
このような被放熱体としてのパワーモジュール用基板は、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着される（例えば、特許文献１参照）。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であって、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収する応力緩和層をなす構成であり、これにより、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止でき、放熱体が良好な放熱作用を果たすこともできるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来では、被放熱体としてのパワーモジュール用基板に設けられた可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板，放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、そのため、放熱体の放熱効果が悪くなっていた。
【０００５】
一般に、放熱体は、被放熱体との間で互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防止するために、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。この場合、熱膨張係数の低い方（被放熱体）に合わせることになるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な放熱効果との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【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、被放熱体と間で熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができるとともに、熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体の製造方法及び放熱体並びにこの放熱体を用いた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】
前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、被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、板状体同士の間に、該板状体の熱膨張係数より低い材質からなり，かつ一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し，かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられた低熱膨張材を配した後、前記各板状体により前記低熱膨張材を狭持した状態で、前記板状体同士の間に該板状体と材質が異なる溶湯を注入し、前記低熱膨張材を鋳包むことを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、前記低熱膨張材を放熱体本体に鋳包む際に予め、板状体により低熱膨張材を狭持しておき、この状態で板状体同士の間に溶湯を注入して、前記低熱膨張材を放熱体本体に鋳包むため、放熱体の厚み方向及び沿面方向に対する低熱膨張材の配設位置が高精度に位置決めされる。すなわち、低熱膨張材を放熱体本体に鋳包む際に、低熱膨張材に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材の放熱体本体に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材は板状体により狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材の前記配設位置のずれ発生が抑制されることになる。これにより、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させて放熱体を形成することができ、量産品質を確保できるようになる。さらに併せて、低熱膨張材の前記位置ずれに起因した、低熱膨張材の放熱体（本体）表面への露出も抑制されるため、被放熱体が載置される放熱体本体表面を平滑面となり、絶縁基板と放熱体とを良好に密着させることができ、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
また、放熱体と，この放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に生じるように、板状体の厚さを各別に異ならせる設定を容易に行うことができるようになる。このように板状体の厚さを各別に設定することにより、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となり、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
さらに、板状体同士の間にこれら板状体と材質が異なる溶湯を注入するため、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。
【０００９】
請求項２に係る発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、放熱体本体と，該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体は、板状体，及び該板状体と材質が異なる鋳造体を少なくとも備えた積層体をなし、かつ前記板状体が前記放熱体本体の各最外層に各々配設された構成をなし、前記低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有し、かつ前記板状体同士の間に前記連絡開口部を介して前記鋳造体により鋳包まれて配設されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体内部に低熱膨張材が配設されているので、放熱体の熱膨張係数が可及的に小さくなり、これにより、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することを確実に抑制する。また、放熱体本体が積層体をなし、この積層体の各最外層に板状体が配設されているので、放熱体の被放熱体との当接面が平滑面となる。これにより、放熱体と被放熱体とが互いに良好に密着することになり、被放熱体からの熱が放熱体へ確実に伝導することになる。さらに、低熱膨張材が放熱体本体の内部に前記連絡開口部を介して鋳包まれて配設されているので、放熱体内部に低熱膨張材が設けられた構成においても、放熱体の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体が連通することになり、放熱体の熱伝導率の低下が抑制される。
以上により、放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるようになる。
さらにまた、鋳造体は板状体と材質が異なっているため、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の放熱体において、前記板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、前記鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る放熱体によれば、板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなるので、被放熱体側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体と被放熱体とをはんだ接合する際，及び放熱体と被放熱体とを接合した状態で使用する際に放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。また、純Ａｌ又はＡｌ合金は、鋳造性に優れているため鋳造欠陥の発生が抑制され、従って、放熱体全体の熱伝導率の低下が最小限に抑制される。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の放熱体において、前記板状体が圧延材であることを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、板状体が圧延材であるため、板状体に内在する空孔等の内部欠陥の含有が最小限に抑制され、放熱体の熱伝導率の低下が抑制される。すなわち、放熱体本体全体が例えば，鋳造体である場合、巣を始めとする内部欠陥が発生する場合があり、この内部欠陥が放熱体内部における熱の伝導を阻害することになるため、放熱体全体の熱伝導率の低下を招くことがある。しかしながら、前述したように板状体が圧延材の場合、前記内部欠陥が形成される場合が少ないため、前記熱伝導率の低下が最小限に抑制される。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項２から４のいずれかに記載の放熱体において、前記各板状体の厚さは、放熱体において、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より小さいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより厚く形成する一方、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より大きいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより薄く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、各板状体の厚さが前述のように設定されているので、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導できるようになる。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項２から５のいずれかに記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする。
【００１８】
この発明に係る放熱体によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、絶縁基板と，該絶縁基板の一方の面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記放熱体は、請求項２から６のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が請求項２から６のいずれかに記載の放熱体であるので、この放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるため、反り発生抑制効果と熱伝導率の低下抑制効果との双方を有するパワーモジュール用基板を提供できるようになる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、請求項７記載のパワーモジュール用基板において、前記絶縁基板の前記一方の面に金属層を、他方の面に回路層を各々備え、前記金属層及び前記回路層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，又はＣｕ合金からなることを特徴とする。
【００２２】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュール用基板が確実に得られる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項７又は８に記載のパワーモジュール用基板の前記絶縁基板の他方の面側に、チップを搭載してなることを特徴とする。
【００２４】
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００２５】
【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はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と，放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、絶縁基板１１の上面に回路層１２が，下面に金属層１３がそれぞれ積層接合されている。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，Ｃｕ合金等により形成され、はんだ付け又はろう付け等により絶縁基板１１上下面に積層接合されている。
【００２６】
絶縁基板１１上面に設けられた回路層１２上面に、はんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、絶縁基板１１下面に設けられた金属層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下面に冷却シンク部３１が設けられている。このように構成されたパワーモジュールＰにおいては、絶縁基板１１側から放熱体１６に伝導された熱が、冷却シンク部３１内の冷却液（或いは冷却空気）３２により外部に放熱される構成となっている。尚、放熱体１６は、冷却シンク部３１に取付ねじ３３によって密着した状態で取付けられている。
【００２７】
ここで、放熱体１６は放熱体本体１７と，放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８とを備えている。
放熱体本体１７は、図２に示すように、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる板状体１７ａと，純Ａｌ又はＡｌ合金からなる鋳造体１７ｂとを備えた積層体をなし、且つ板状体１７ａが放熱体本体１７の各最外層，すなわち絶縁基板１１側，及び冷却シンク部３１側に各々配設された構成となっている。ここで、板状体１７ａは圧延材により形成されている。
【００２８】
一方、低熱膨張材１８は、図３に示すように、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつこの厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部４０を有して設けられている。この低熱膨張材１８は、図２に示すように、放熱体本体１７（放熱体１６）の前記厚み方向の略中央部に連絡開口部４０を介して、鋳造体１７ｂに鋳包まれて配設されている。
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図３に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１，４２を前記厚み方向に沿って組付けることで連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けられるとともに、連絡開口部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成されている。
【００２９】
ここで、放熱体本体１７のうち板状体１７ａは、前述したように、純Ｃｕ又はＣｕ合金，好ましくは純度９９．９％以上の高純度Ｃｕによって形成され、鋳造体１７ｂは、純Ａｌ又はＡｌ合金，好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金によって形成されており、従って、放熱体本体１７は全体として変形抵抗が小さく，且つ熱伝導性の良好な材質，いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上，好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなっており、鋳造体１７ｂに鋳包む，すなわち放熱体本体１７の内部に埋設することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差が可及的に近づく構成となっている。この低熱膨張材１８は、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ５×１０−６／℃以下である。ここで、インバー合金とは、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。
以上のように構成されたパワーモジュールＰにおいては、絶縁基板１１側の熱膨張係数が放熱体１６側の熱膨張係数より小さくなっており、この場合、絶縁基板１１側の板状体１７ａの厚さが冷却シンク部３１側の板状体１７ａの厚さより厚く形成されている。
【００３０】
以上のように構成された放熱体１６を形成する製造方法について説明する。
まず、純Ｃｕ又はＣｕ合金からなる圧延材の板状体１７ａ同士の間に、低熱膨張材１８を配した後、各板状体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持した状態で、低熱膨張材１８側面側から純Ａｌ又はＡｌ合金からなる溶湯を注入する。この際、溶湯はまず、低熱膨張材１８の連絡開口部４０に至る。ここで、低熱膨張材１８は、図３において前述したように、連絡開口部４０が厚み方向に連絡しているため、連絡開口部４０に至った溶湯は低熱膨張材１８を狭持している各板状体１７ａの低熱膨張材１８との当接面にまで至る。そして、この溶湯を冷却硬化することで、放熱体１６の最外層を構成する各板状体１７ａ同士を接合するとともに，低熱膨張材１８を鋳包む鋳造体１７ｂが形成され、放熱体１６が形成される。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板１０によれば、放熱体１６が、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８を備えているので、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、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【００３２】
このため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ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に向かう反りが発生することを確実に抑制することができる。これにより、放熱体１６を冷却シンク部３１に取り付けても、冷却シンク部３１と放熱体１６との間に間隙が発生することを防止することができ、放熱体１６から冷却シンク部３１へ高効率に熱を伝導することができる。
【００３３】
しかも、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２，絶縁基板１１，金属層１３，はんだ１５，放熱体１６及び冷却シンク部３１を介して外部に良好に放熱されることになる。すなわち、パワーモジュールＰ全体としての熱伝導率が低下することを抑制することができ、結果として、半導体チップ３０の温度上昇をも抑制することができる。
【００３４】
ここで、絶縁基板１１側の板状体１７ａの厚さを冷却シンク部３１側の板状体１７ａの厚さより厚く形成しているので、鋳造体１７ｂを形成する際、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう反りが発生することになる。また、この放熱体１６を絶縁基板１１と接合する際、絶縁基板１１の熱膨張係数は放熱体１６の熱膨張係数より小さいので、放熱体１６には、絶縁基板１１へ向かう方向に反りが発生しようとする。この際、放熱体１６には、鋳造体１７ｂを形成した際に絶縁基板１１から遠ざかる方向に反りが生じているので、これらの各反りが互いに相殺し合うことになり、結果として放熱体１６と絶縁基板１１との双方を平坦とすることができ、これらを良好に互いに密着させることができる。
すなわち、放熱体１６と，この放熱体１６の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の絶縁基板１１とをはんだ接合した際に放熱体１６に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材１８を鋳造体１７ｂに鋳包む際に放熱体１６全体に生じるように、板状体１７ａの厚さを絶縁基板１１側と冷却シンク部３１側とで各別に異ならせる設定を容易になすことができるようになり、放熱体１６と絶縁基板１１とを良好に密着させることができ、絶縁基板１１の熱を放熱体１６に確実に伝導させる構成を容易に形成することができる。
【００３５】
また、低熱膨張材１８を放熱体本体１７に鋳包む際に予め、板状体１７ａにより低熱膨張材１８を狭持しておき、この状態で低熱膨張材１８の側面側から溶湯を注入するため、放熱体１６の厚み方向，及び沿面方向に対する低熱膨張材１８の配設位置を高精度に位置決めすることができる。すなわち、低熱膨張材１８を放熱体本体１７に鋳包む際に、低熱膨張材１８に作用する溶湯の注入圧により、低熱膨張材１８の放熱体本体１７に対する配設位置がずれ易いことになるが、この際、低熱膨張材１８は板状体１７ａにより狭持されているので、前記注入圧による低熱膨張材１８の配設位置のずれ発生を抑制することができる。これにより、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させてパワーモジュール用基板１０を形成することができ、量産品質を確保することができる。
【００３６】
さらに併せて、形成される放熱体１６の各最外層に板状体１７ａが配設されるので、放熱体１６表面に低熱膨張材１８が露出することを抑制することができ、絶縁基板１１が載置される放熱体１６表面を平滑面とすることを容易に実現することができる。ここで、前述したように、板状体１７ａを圧延材としているため、放熱体１６の絶縁基板１１との当接面を平滑面とすることをより確実に実現することができる。従って、放熱体１６と絶縁基板１１との各当接面を互いに一様に密着させることができ、絶縁基板１１からの熱を放熱体１６に確実に伝導することができる。
【００３７】
また、低熱膨張材１８が、鋳造体１７ｂにより連絡開口部４０を介して鋳包まれて配設されているので、放熱体１６内部に低熱膨張材１８が設けられた構成においても、放熱体１６の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体１７が連通することになり、放熱体１６の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。従って、放熱体１６の熱膨張率の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。また、板状体１７ａと鋳造体１７ｂとが各々異種材料から形成されているので、絶縁基板１１側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体１６全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができ、放熱体１６と絶縁基板１１とをはんだ接合する際，及びパワーモジュールＰとして使用する際に放熱体１６に発生する反りを確実に抑制することができる。さらに、鋳造体１７ｂを形成する純Ａｌ又はＡｌ合金は、良好な湯流れを実現する等，鋳造性に優れているため鋳造欠陥の発生を抑制することができ、従って、放熱体１６全体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。
【００３８】
さらに、板状体１７ａが圧延材であるため、板状体１７ａに内在する空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができ、放熱体１６の熱伝導率の低下を抑制することができる。すなわち、放熱体本体１７全体が例えば，鋳造体である場合、巣を始めとする内部欠陥が発生し易いが、この場合、放熱体１６内部を熱が伝導する際、前記内部欠陥が熱伝導を阻害することになるため、放熱体１６全体の熱伝導率の低下を招くことになる。しかしながら、前述したように板状体１７ａが圧延材の場合、前記内部欠陥が発生する場合が少ないため、前記熱伝導率の低下を抑制することができる。
【００３９】
さらにまた、低熱膨張材１８が、帯状の単位板状体４１，４２を同列位置で互いに組付けて連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３に形成し、連鎖状体４３を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に連絡開口部４０の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部４０を有する低熱膨張材１８を確実に形成することができる。
【００４０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、放熱体本体１７に設けられた低熱膨張材１８として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金を用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ），４２アロイ，モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
【００４１】
また、放熱体１６表面に冷却シンク部３１を設けた構成を示したが、この構成に限らず、コルゲートフィンを設けた構成としてもよい。すなわち、放熱体１６表面にろう材を介して接合された接合部と、接合部の一端に設けられ接合部と直交して立上がる立上がり部と、立上がり部の上端に設けられ接合部に平行且つ離間する方向に延びる平坦部と、平坦部の一端に設けられ平坦部に直交且つ放熱体１６に向かって折返る折返し部とを備えた突出部を、放熱体１６の沿面方向に沿って繰返し連続して設けた構成としてもよい。なお、この構成においては、立上がり部と平坦部と折返し部と放熱体１６表面とが空間を形成することになる。
【００４２】
さらに、放熱体１６が取り付けられる絶縁基板１１として、放熱体１６側の面に金属層１３が設けられた例を示したが、金属層１３を設けず絶縁基板１１をろう材を介して放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
また、低熱膨張材１８に替えて，いわゆるコルゲート，コルゲートルーバ， 厚さ方向にエキスパンドした断面矩形の連絡開口部４０を有するエキスパンド構造，若しくは前述した実施形態で示したいわゆる，ハニカム構造を一層設けたもの，又は前記各構成のうちの一つを複数積層させた構成としてもよい。
【００４３】
さらにまた、絶縁基板１１側の板状体１７ａにおいて、絶縁基板１１側の表面を平滑面としたが、この表面において、絶縁基板１１が接合される領域を、絶縁基板１１側へ凸とする台座部を形成してもよい。この場合、板状体１７ａは圧延材ではなく鋳造により形成してもよい。また、各板状体１７ａの低熱膨張材１８側の表面において、任意の領域を凹ませて形成してもよく、さらに、波形の凹凸形状を付与する等してもよく、平滑面に限らない。
また、低熱膨張材１８表裏面を板状体１７ａを介して狭持した状態で、その後、低熱膨張材１８の側面から溶湯を注入したが、低熱膨張材１８を一方の板状体１７ａ上へ載置した後、低熱膨張材１８をシリコン粒子により埋設し、そして、低熱膨張材１８上に他方の板状体１７ａを載置した後、各板状体１７ａを介してこれらを押圧し、その後、溶湯を注入してもよい。
【００４４】
【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、放熱体の厚み方向に対する低熱膨張材の配設位置を高精度に位置決めすることができるため、熱膨張係数，熱伝導率等の特性を安定させてパワーモジュール用基板を形成することができ、量産品質を確保することができる。また、絶縁基板が載置される放熱体表面を平滑面とすることを容易且つ確実に実現することができ、放熱体と絶縁基板とを互いに一様に密着させることができるため、絶縁基板からの熱を放熱体に確実に伝導することができる。さらに、放熱体と，この放熱体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の絶縁基板とをはんだ接合した際に放熱体に発生する反りと略同等且つ反対方向の反りが、低熱膨張材を鋳包む際に放熱体に生じるように、板状体の厚さを各別に異ならせて設定することが容易になる。さらにまた、溶湯は板状体と材質が異なっているため、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができる。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生することを確実に抑制することができる。また、放熱体の絶縁基板との当接面を平滑面とする構成を確実に実現することができる。さらに、放熱体内部に低熱膨張材が設けられた構成においても、放熱体の厚さ方向，及びこの方向に垂直な方向に放熱体本体が連通することになり、放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。従って、放熱体の熱膨張率の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。さらに、放熱体本体と鋳造体とは各々異なる材質により形成されているので、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができる。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなるので、絶縁基板側の熱膨張係数，発熱量等に応じて、放熱体全体の熱膨張係数，及び熱伝導率を適宜調整することができるとともに、放熱体自体の熱伝導率の低下発生を最小限に抑制することができる。
【００４７】
請求項４に係る発明によれば、板状体が圧延材であるため、板状体に内在する空孔等の内部欠陥の含有を最小限に抑制することができ、放熱体の熱伝導率の低下を抑制することができる。
【００４８】
請求項５に係る発明によれば、鋳造体を形成する際に放熱体に発生した反りと、この放熱体と被放熱体とをはんだ接合した際に放熱体に発生しようとする反りとが互いに相殺し合い、結果として放熱体と被放熱体との双方が平坦となる。従って、被放熱体と放熱体との密着性が確保されることになるため、被放熱体の熱を放熱体に確実に伝導することができる。
【００４９】
請求項６に係る発明によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００５０】
請求項７に係る発明によれば、この放熱体の熱膨張係数を可及的に小さくでき、放熱体の前記反りの発生を抑制することができるとともに、このような構成においても放熱体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができるため、反り発生抑制効果と熱伝導率の低下抑制効果との双方を有するパワーモジュール用基板を提供することができる。
【００５１】
請求項８に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュール用基板が確実に得られる。
【００５２】
請求項９に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施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】図１に示す放熱体の断面側面図である。
【図３】図２に示す低熱膨張材の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１６ 放熱体
１７ 放熱体本体
１７ａ 板状体
１７ｂ 鋳造体
１８ 低熱膨張材
３０ 半導体チップ（チップ）
４０ 連絡開口部
４１，４２ 単位板状体
４３ 連鎖状体
Ｐ パワーモジュール
Claims (9)
- 被放熱体の熱を放熱させる放熱体の製造方法であって、
板状体同士の間に、該板状体の熱膨張係数より低い材質からなり，かつ一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し，かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられた低熱膨張材を配した後、
前記各板状体により前記低熱膨張材を狭持した状態で、前記板状体同士の間に該板状体と材質が異なる溶湯を注入し、前記低熱膨張材を鋳包むことを特徴とする放熱体の製造方法。 - 被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
放熱体本体と，該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、
前記放熱体本体は、板状体，及び該板状体と材質が異なる鋳造体を少なくとも備えた積層体をなし、かつ前記板状体が前記放熱体本体の各最外層に各々配設された構成をなし、
前記低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有し、かつ前記板状体同士の間に前記連絡開口部を介して前記鋳造体により鋳包まれて配設されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項２記載の放熱体において、
前記板状体が純Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、前記鋳造体が純Ａｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする放熱体。 - 請求項２又は３に記載の放熱体において、
前記板状体が圧延材であることを特徴とする放熱体。 - 請求項２から４のいずれかに記載の放熱体において、
前記各板状体の厚さは、放熱体において、被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より小さいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより厚く形成する一方、
被放熱体側の熱膨張係数が放熱体側の熱膨張係数より大きいとき、被放熱体側の板状体の厚さを放熱体側の板状体の厚さより薄く形成することを特徴とする放熱体。 - 請求項２から５のいずれかに記載の放熱体において、
前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けるとともに、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする放熱体。 - 絶縁基板と，該絶縁基板の一方の面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記放熱体は、請求項２から６のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項７記載のパワーモジュール用基板において、
前記絶縁基板の前記一方の面に金属層を、他方の面に回路層を各々備え、前記金属層及び前記回路層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，又はＣｕ合金からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項７又は８に記載のパワーモジュール用基板の前記絶縁基板の他方の面側に、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。
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-
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