JP2003060136A - モジュール用基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱板の熱伝導率が充分に高く、放熱板と絶
縁性基板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素子の冷
却効率に優れるため、発熱量の大きい半導体素子を搭載
するための基板に好適に用いることができるモジュール
用基板を提供すること。 【解決手段】 一主面に導体回路が形成された絶縁性基
板と、上記絶縁性基板の他の主面に接着層を介して接合
された放熱部材とを含む、半導体素子を搭載するための
モジュール用基板であって、上記放熱部材は、常温〜３
００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属
又は合金からなり、上記接着層との界面に粗化面が形成
されるとともに、空冷による放熱手段を備えていること
を特徴とするモジュール用基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱量の大きな半
導体素子を搭載するためのモジュール用基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ）やＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）のような
動作時に多量の発熱を伴う電力用半導体素子を実装する
基板として、絶縁性基板と放熱板とを備えた放熱特性に
優れるモジュール用基板が用いられている。

【０００３】図４は、この種のモジュール用基板が用い
られたパワーモジュールを模式的に示した断面図であ
る。このパワーモジュール４０では、絶縁性基板４２の
一主面に導体回路４５が形成されるとともに、応力緩和
層４７の上に半田層４８を介して半導体素子４６が搭載
されており、導体回路４５と半導体素子４６とは、ワイ
ヤー４５ａを用いたワイヤーボンディングにより接続さ
れている。また、モジュール用基板４００は、絶縁性基
板４２と、放熱板４１と、両者を接合するためのニッケ
ルメッキ層４４と接合層（図示せず）とから構成されて
いる。

【０００４】従来、このようなパワーモジュール４０を
構成する部材には熱伝導率に優れる材料が使用されてお
り、具体的には、導体回路４５用の金属としては銅が使
用されており、絶縁性基板４２としては窒化アルミニウ
ム基板が使用されており、放熱板４１としては炭化珪素
とアルミニウムとの複合体等が使用されていた。このよ
うな材料からなるパワーモジュール４０は、スイッチン
グ等の動作により半導体素子４６に多量の熱が発生する
と、この発生した熱は、絶縁性基板４２及び放熱板４１
を介して外部に放散され、半導体素子４６の過度の温度
上昇を防止することができるようになっている。

【０００５】しかしながら、このような構造からなる従
来のパワーモジュールは、放熱板と半導体素子との間の
熱交換をスムーズに行うことができず、半導体素子の冷
却効率が充分なものとはいい難かった。そのため、例え
ば、上記半導体素子が自動車用のＩＧＢＴのように容量
が大きく、発熱量の大きなものである場合、上述したよ
うな構造の従来のパワーモジュールでは、上記半導体素
子で発生する熱を充分に冷却させることができず、上記
半導体素子が高温化して熱破壊されることがあった。

【０００６】また、放熱板と絶縁性基板との間の接着強
度も充分なものではなかったため、半導体素子の半田付
け等の工程や、使用時の半導体素子の発熱等により温度
サイクルを受けたとき、放熱板と絶縁性基板との熱膨張
係数の差に起因する熱応力により、放熱板と絶縁性基板
との間にクラックが発生することがあった。さらに、こ
のように放熱板と絶縁性基板との間にクラックが発生す
ると、半導体素子で発生した熱が、ますます冷却されに
くくなり、半導体素子の温度が過度に上昇して熱破壊さ
れやすくなっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題に
鑑みてなされたものであり、放熱部材及び／又は放熱板
の熱伝導率が充分に高く、放熱部材又は放熱板と絶縁性
基板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素子の冷却効
率に優れるため、発熱量の大きい半導体素子を搭載する
ための基板に好適に用いることができるモジュール用基
板を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第一の本発明は、一主面
に導体回路が形成された絶縁性基板と、上記絶縁性基板
の他の主面に接着層を介して接合された放熱部材とを含
む、半導体素子を搭載するためのモジュール用基板であ
って、上記放熱部材は、常温〜３００℃における熱伝導
率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなり、上
記接着層との界面に粗化面が形成されるとともに、空冷
による放熱手段を備えていることを特徴とするモジュー
ル用基板である。

【０００９】また、第二の本発明は、一主面に導体回路
が形成された絶縁性基板と、上記絶縁性基板の他の主面
に接着層を介して接合された放熱板とを含む、半導体素
子を搭載するためのモジュール用基板であって、上記放
熱板は、常温〜３００℃における熱伝導率が１００Ｗ／
ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなるとともに、上記接着
層との界面に粗化面が形成されており、上記放熱板の下
方には空冷による放熱手段を備えた放熱部材が配置され
ていることを特徴とするモジュール用基板である。以
下、本発明を詳細に説明する。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、第一の本発明のモジュール
用基板について説明する。第一の本発明のモジュール用
基板は、一主面に導体回路が形成された絶縁性基板と、
上記絶縁性基板の他の主面に接着層を介して接合された
放熱部材とを含む、半導体素子を搭載するためのモジュ
ール用基板であって、上記放熱部材は、常温〜３００℃
における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合
金からなり、上記接着層との界面に粗化面が形成される
とともに、空冷による放熱手段を備えていることを特徴
とする。

【００１１】第一の本発明のモジュール用基板では、放
熱部材を構成する金属又は合金の常温〜３００℃におけ
る熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に高く、ま
た、空冷による放熱手段が備えられているため、上記モ
ジュール用基板の上部に搭載した半導体素子と上記放熱
部材との熱交換を非常にスムーズに行うことができ、そ
の結果、上記半導体素子の過度の温度上昇を防止するこ
とができ、上記半導体素子の冷却効率に優れたものとな
っている。

【００１２】また、上記放熱部材の接着層との界面に形
成されている粗化面も、上記半導体素子の冷却効率の向
上に寄与している。即ち、上記放熱部材の接着層との界
面に粗化面が形成されていると両者の接触面積が大きく
なり、その結果、上記放熱部材と接着層との間を熱が伝
導しやすくなるのである。さらに、上記粗化面が形成さ
れることで、上記放熱部材と接着層との間にアンカー効
果が働き、上記放熱部材と上記接着層との接着強度が非
常に優れたものとなっているため、上記接着層にクラッ
クが発生することもない。

【００１３】図１は、第一の本発明のモジュール用基板
の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの
一例を模式的に示した正面図である。

【００１４】図１に示したように、第一の本発明のモジ
ュール用基板１００は、その下面に放熱フィン１３０が
設けられた放熱部材１３と、その上に接着層１４を介し
て配置された板状の絶縁性基板１２と、両者を接合させ
るための接着層１４とから構成され、この絶縁性基板１
２の上には導体回路１５が形成されている。また、図示
はしないが、放熱部材１３の接着層１４との界面には粗
化面が形成されている。そして、第一の本発明に係るパ
ワーモジュール１０は、モジュール用基板１００の導体
回路１５が形成された面に応力緩和層１７を介して半導
体素子１６が搭載され、この半導体素子１６と導体回路
１５とが、ワイヤー１５ａを用いたワイヤーボンディン
グにより接続されている。

【００１５】放熱部材１３は、常温〜３００℃における
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からな
るものである。放熱部材１３の常温〜３００℃における
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、放熱部材１
３と半導体素子１６との間の熱交換をスムーズに行うこ
とができず、モジュール用基板１００に発熱量の大きい
半導体素子１６を搭載したパワーモジュール１０におい
て、半導体素子１６を好適に冷却させることができな
い。放熱部材１３の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上
であることがより望ましい。

【００１６】このような熱伝導率を有する金属又は合金
としては特に限定されず、例えば、Ｃｕ、Ａｌ及びＳｉ
等の金属や、これらの金属にＺｒ、Ｆｅ、Ｐ及びＺｎ等
が含まれた合金を挙げることができる。これらのなかで
は、Ｃｕを主成分とする合金又はアルミニウムであるこ
とが望ましい。熱伝導率に優れ、半導体素子１６との間
で良好に熱交換することができるからである。具体的に
は、上記Ｃｕを主成分とする合金はＣｕとＺｒとからな
る合金であることが望ましい。

【００１７】また、放熱部材１３の接着層１４との界面
には粗化面が形成されている。上述した通り、このよう
に放熱部材１３に粗化面が形成されることで、放熱部材
１３と接着層１４との間にはアンカー効果が働き、放熱
部材１３と接着層１４との接着強度が非常に優れたもの
となる。従って、半導体素子１６の半田付け等の工程
や、使用時の半導体素子１６の発熱等により冷熱サイク
ルを受けた場合であっても、放熱部材１３と接着層１４
との間にクラックが発生することがない。また、放熱部
材１３と接着層１４との接触面積が大きくなるため、放
熱部材１３と接着層１４との間を熱が伝導しやすくな
り、放熱部材１３による半導体素子１６の冷却効率が優
れたものとなる。上記粗化面の面粗度としては、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１に規定されるＲａで０．０１〜０．５μ
ｍ程度であることが望ましい。放熱部材１３と接着層１
４との間に好適なアンカー効果を得ることができる範囲
だからである。

【００１８】上記粗化面は、黒化還元処理、研磨処理、
エッチング処理及びメッキ処理のいずれかの方法により
形成されることが望ましい。なお、これらの具体的な方
法については、後述する第一の本発明のモジュール用基
板の製造方法において詳しく説明する。

【００１９】また、放熱部材１３の下面には、真っ直ぐ
な溝状の凹部が等間隔に並設された構造の放熱フィン１
３０が形成されているため、放熱部材１３は、その表面
積が大きくなり、半導体素子１６の冷却効率が優れたも
のとなっている。即ち、放熱部材１３を常に低温状態に
保つことができ、モジュール用基板１００に搭載した半
導体素子１６が過度に温度上昇しないように制御するこ
とができる。

【００２０】また、放熱フィン１３０の形状は、図１に
示したような真っ直ぐな溝状の凹部が等間隔に並設され
たものに限定されることはなく、放熱部材の表面積を大
きくすることができる形状であれば、例えば、同心円状
や螺旋状の凹部が形成された構造や、多数の突起部が形
成されたような構造等であってもよい。このような放熱
フィンの表面積等は、その熱伝導率や搭載する半導体素
子１６の発熱量等に併せて適宜決定される。

【００２１】さらに、モジュール用基板１００は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材１３が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材１３の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
１３を低温状態に保持し、半導体素子１６が過度に加熱
されることを防止することができるからである。

【００２２】接着層１４は、放熱部材１３と絶縁性基板
１２との間に設けられ、これらを接合する役割を果たし
ているのであるが、このような接着層１４を構成する材
料としては特に限定されず、例えば、金属やセラミック
等の接合の際に通常に用いられる半田、ろう材、接着剤
等を挙げることができる。なお、接着層１４を構成する
材料が半田やろう材である場合、その成分中にＣｕを含
むものであることが望ましい。熱伝導率に優れ、放熱部
材１３との馴染みがよいからである。また、接着層１４
の厚さとしては特に限定されず、放熱部材１３及び絶縁
性基板１２の材質、及び、これらの熱伝導率等を考慮し
て適宜決定されるが、なるべく薄い方が好ましい。

【００２３】絶縁性基板１２は、その一主面に導体回路
１５が形成されるとともに、半導体素子１６が搭載さ
れ、導体回路１５及び半導体素子１６間の絶縁性を確保
し、また、導体回路１５及び半導体素子１６と放熱部材
１３との絶縁性も確保する役割を果たしている。

【００２４】絶縁性基板１２は、絶縁材料で、高い熱伝
導率を有するものであることが望ましい。このような材
料としては特に限定されず、例えば、窒化物セラミッ
ク、炭化物セラミック、金属酸化物等のセラミック材料
等を挙げることができる。

【００２５】上記窒化物セラミックとしては、例えば、
窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化チタン
等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以
上を併用してもよい。

【００２６】また、上記炭化物セラミックとしては、例
えば、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化
タンタル、炭化タングステン等が挙げられる。これらは
単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

【００２７】また、上記金属酸化物としては、例えば、
アルミナ等を挙げることができる。これらのなかでは、
絶縁性基板１２を構成する材料は、窒化アルミニウム、
窒化珪素、炭化珪素及び金属酸化物から選択される少な
くとも１種のセラミックであることが望ましく、窒化ア
ルミニウムからなることが最も望ましい。熱伝導率が１
５０Ｗ／ｍ・Ｋと最も大きいからである。

【００２８】なお、絶縁性基板１２を構成する材料とし
て炭化物セラミックを使用した場合、必要により、絶縁
層を形成してもよい。炭化物セラミックは特に高純度化
しない限り導電性を有しているからである。

【００２９】上記絶縁層としては、酸化物セラミックが
望ましく、具体的には、シリカ、アルミナ、ムライト、
コージェライト、ベリリア等を使用することができる。
このような絶縁層としては、アルコキシドを加水分解重
合させたゾル溶液を絶縁性基板にスピンコートして乾
燥、焼成を行ったり、スパッタリング、ＣＶＤ等で形成
してもよい。また、絶縁性基板表面を酸化処理して酸化
物層を設けてもよい。

【００３０】このような絶縁層は、絶縁性基板１２の表
面全体に形成されていてもよいが、少なくとも絶縁性基
板１２と、導体回路１５及び半導体素子１６との間に形
成されていればよい。導体回路１５及び半導体素子１６
間の絶縁性を確保することができるとともに、導体回路
１５及び半導体素子１６と放熱部材１３との絶縁性も確
保することができるからである。

【００３１】また、図３は異なる形状の絶縁性基板を有
するパワーモジュールの一例を模式的に示した正面図で
ある。絶縁性基板は、図３に示したように、導体回路１
５と半導体素子１６が搭載された部分とに形成されたも
のであってもよい。このような構造の絶縁性基板３２
は、図１に示した絶縁性基板１２と同様の効果を得るこ
とができるとともに、放熱部材１３と絶縁性基板３２と
が重なる領域が小さくなるため、放熱部材１３と絶縁性
基板３２との熱膨張係数の相違に起因して接着層１４に
蓄積される熱応力も少なくなり、より接着層１４にクラ
ックが発生しにくくなる。なお、以下の第一の本発明の
モジュール用基板の説明において、単に絶縁性基板とい
う場合は、絶縁性基板１２及び絶縁性基板３２の両方を
指すものとする。

【００３２】この場合、少なくとも導体回路１５が形成
された部分の絶縁性基板３２は、窒化アルミニウム、窒
化珪素、炭化珪素及び金属酸化物から選択される少なく
とも１種のセラミック、又は、絶縁性樹脂であることが
望ましく、半導体素子１６が搭載された部分の絶縁性基
板３２は、上記セラミックからなることが望ましい。導
体回路１５が形成された部分の絶縁性基板３２は、さほ
ど高温に加熱されることがないが、半導体素子１６が搭
載された部分の絶縁性基板３２は、半導体素子１６によ
り高温に加熱されるため、絶縁性とともに耐熱性にも優
れた材料である必要があるからである。なお、絶縁性基
板３２が上述したようなセラミック材料からなる場合、
絶縁性基板３２は、窒化アルミニウムからなることが最
も望ましい。熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋと最も大きい
からである。

【００３３】上記絶縁性樹脂としては、例えば、熱硬化
性樹脂や熱可塑性樹脂等を挙げることができる。

【００３４】上記熱硬化性樹脂の具体例としては、例え
ば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、
ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリオレフィ
ン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂等が挙げられ
る。

【００３５】上記エポキシ樹脂としては、例えば、クレ
ゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂、アルキルフェノール
ノボラック型エポキシ樹脂、ビフェノールＦ型エポキシ
樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエ
ン型エポキシ樹脂、フェノール類とフェノール性水酸基
を有する芳香族アルデヒドとの縮合物のエポキシ化物、
トリグリシジルイソシアヌレート、脂環式エポキシ樹脂
等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種
以上併用してもよい。それにより、耐熱性等に優れるも
のとなる。

【００３６】上記ポリオレフィン系樹脂としては、例え
ば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポ
リイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、シ
クロオレフィン系樹脂、これらの樹脂の共重合体等が挙
げられる。

【００３７】また、上記熱可塑性樹脂としては、例え
ば、フェノキシ樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリス
ルフォン等が挙げられる。さらに、絶縁性基板３２は、
これらの熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との複合体（樹脂
複合体）であってもよい。

【００３８】また、導体回路１５が形成された部分の絶
縁性基板３２が上記絶縁性樹脂からなるものである場
合、この絶縁性樹脂は、粗化面を形成することができる
樹脂組成物からなることが望ましい。導体回路１５をそ
の表面に形成する際、絶縁性基板３２と導体回路１５と
の接着強度が優れたものとなるからである。

【００３９】また、接着層１４に面した絶縁性基板の界
面にも粗化面が形成されていることが望ましい。絶縁性
基板と接着層１４との間にアンカー効果が働き、これら
の接着強度が非常に優れたものとなるとともに、絶縁性
基板と接着層１４との接触面積が大きくなるため、絶縁
性基板及び接着層１４間の熱の伝導が良好に行われるか
らである。

【００４０】絶縁性基板の接着層１４との界面に形成さ
れる粗化面の面粗度としては、上述した放熱部材１３に
形成される粗化面と同様であることが望ましい。また、
このような絶縁性基板の粗化面は、絶縁性基板の表面に
研磨処理、エッチング等を施すことにより形成すること
ができる。

【００４１】さらに、絶縁性基板の接着層１４との界面
には、スパッタリング処理、メッキ処理等によりメタラ
イズ処理が施されていることが望ましい。絶縁性基板と
接着層１４との馴染みがよくなるからである。上記メタ
ライズ処理に使用される金属としては特に限定されず、
例えば、Ｃｕ、Ｎｉ等が挙げられる。

【００４２】また、導体回路１５は、絶縁性基板の表面
に単層で形成されていてもよく、絶縁性基板の内部に複
数層に分かれて形成されていてもよい。このような導体
回路１５の材料としては、例えば、銅、アルミニウム等
が挙げられるが、比較的高い導電率を有するとともに変
形抵抗の小さいアルミニウムが好ましい。また、絶縁性
基板と導体回路１５との接合は、例えば、Ａｌ−Ｓｉを
含むろう材、半田、接着剤等を用いて行うことができ
る。

【００４３】半導体素子１６としては特に限定されない
が、本発明のモジュール用基板１００は、放熱特性に特
に優れたものであるため、動作時に発熱量の多い半導体
素子であることが望ましく、このような半導体素子とし
ては、例えば、ＩＧＢＴ、ＳＩＴ等が挙げられる。この
ような半導体素子１６は、上述した絶縁性基板と導体回
路１５との接合において用いることができるろう材で接
合することができる。

【００４４】また、半導体素子１６と絶縁性基板との間
には、図示したような、応力緩和層１７が形成されてい
ることが望ましい。パワーモジュール１０の動作時にお
いて、半導体素子１６は発熱源となるため、半導体素子
１６と絶縁性基板との熱膨張係数に起因して上記ろう材
にクラックが発生しやすくなるが、半導体素子１６と絶
縁性基板との間に応力緩和層１７を設けることで、上記
ろう材にクラックが発生することを確実に防止すること
ができる。このような応力緩和層１７を構成する材料と
しては特に限定されず、例えば、モリブデン等を挙げる
ことができる。

【００４５】以上説明した通り、第一の本発明のモジュ
ール用基板を構成する放熱部材は、常温〜３００℃にお
ける熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金か
らなり、接着層との界面に粗化面が形成されるととも
に、空冷による放熱手段を備えている。従って、放熱部
材と接着層との間にはアンカー効果が働き、これらの接
着強度が非常に優れたものとなる。また、放熱部材と接
着層との接触面積が大きくなるため、放熱部材と接着層
との間を熱が伝導しやすくなり、空冷による放熱手段に
よって低温状態に保たれた放熱部材と半導体素子との間
の熱交換をスムーズに行うことができ、半導体素子の冷
却効率が優れたものとなる。

【００４６】次に、第一の本発明のモジュール用基板を
製造する方法について説明する。第一の本発明のモジュ
ール用基板を構成する放熱部材は、例えば、上述した金
属又は合金からなる板状体に、切削加工を施して、例え
ば、溝状の凹部を多数並設することで、図１に示したよ
うな、空冷による放熱手段（放熱フィン）を備えた放熱
部材を作製することができる。このとき、上記切削加工
の加工条件は、目的とするモジュール用基板に搭載する
半導体素子の発熱量や、上記金属又は合金の熱伝導率等
を考慮して適宜決定される。

【００４７】次に、この放熱部材の一方の主面（上記放
熱フィンに対向する面）に粗化面を形成する。上記粗化
面を形成する方法としては特に限定されず、例えば、黒
化還元処理、研磨処理、エッチング処理及びメッキ処理
等を挙げることができる。

【００４８】上記黒化還元処理としては、例えば、Ｎａ
ＯＨ（２０ｇ／ｌ）、ＮａＣｌＯ_２（５０ｇ／ｌ）、Ｎ
ａ_３ＰＯ_４（１５．０ｇ／ｌ）を含む水溶液からなる黒
化浴（酸化浴）、及び、例えば、ＮａＯＨ（２．７ｇ／
ｌ）、ＮａＢＨ_４（１．０ｇ／ｌ）を含む水溶液からな
る還元浴を用いて粗化面を形成する方法が望ましい。

【００４９】上記研磨処理としては、例えば、ヤスリ、
サンドペーパー等により放熱部材表面を機械的に研磨す
る方法が挙げられる。

【００５０】また、上記メッキ処理としては、硫酸銅
（１〜４０ｇ／ｌ）、硫酸ニッケル（０．１〜６．０ｇ
／ｌ）、クエン酸（１０〜２０ｇ／ｌ）、次亜リン酸ナ
トリウム（１０〜１００ｇ／ｌ）、ホウ酸（１０〜４０
ｇ／ｌ）、界面活性剤（日信化学工業社製、サーフィノ
ール４６５）（０．０１〜１０ｇ／ｌ）を含むｐＨ＝９
の無電解メッキ浴にて無電解メッキを施し、Ｃｕ−Ｎｉ
−Ｐ合金からなる粗化面を形成する方法が望ましい。こ
の範囲で析出する被膜の結晶構造は針状構造になるた
め、アンカー効果に優れるからである。この無電解メッ
キ浴には上記化合物に加えて錯化剤や添加剤を加えても
よい。

【００５１】また、上記エッチング処理としては、第二
銅錯体及び有機酸からなるエッチング液を酸素共存下で
作用させ、放熱板表面を粗化する方法が望ましい。

【００５２】このような方法により放熱部材表面に形成
する粗化面の面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定され
るＲａで０．０１〜０．５μｍ程度であることが望まし
い。放熱部材と、後述する接着層との間に好適なアンカ
ー効果を得ることができる範囲だからである。

【００５３】次に、その一主面に導体回路が形成され、
半導体素子を搭載するための絶縁性基板を作製する。上
記第一の本発明のモジュール用基板において説明した通
り、上記絶縁性基板を構成する材料としては、窒化物セ
ラミック、炭化物セラミック及び金属酸化物等のセラミ
ック材料を挙げることができる。

【００５４】上記絶縁性基板を作製するには、まず、セ
ラミック粉末に、必要に応じてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）
やＢ_４Ｃ等の焼結助剤、Ｎａ、Ｃａを含む化合物、バイ
ンダー等を配合してスラリーを調製した後、このスラリ
ーをスプレードライ等の方法で顆粒状にし、この顆粒を
金型に入れて加圧することにより板状等の所定の形状に
成形することで、生成形体（グリーン）を作製する。

【００５５】次に、この生成形体を加熱、焼成して焼結
させ、セラミック製の板状体を製造する。この後、所定
の形状に加工することにより、絶縁性基板を作製する
が、焼成後にそのまま使用することができる形状として
もよい。加圧しながら加熱、焼成を行うことにより、気
孔のない絶縁性基板を製造することが可能となる。加
熱、焼成は、焼結温度以上であればよいが、窒化物セラ
ミックや炭化物セラミックでは、１０００〜２５００℃
であり、酸化物セラミックでは、１５００〜２０００℃
であることが望ましい。

【００５６】また、上記絶縁性基板を、少なくとも導体
回路を形成する部分と、半導体素子を搭載する部分とに
形成し、上記導体回路を形成する部分の絶縁性基板が上
述した絶縁性樹脂からなる場合、この絶縁性基板を作製
するには、上述した熱硬化性樹脂や樹脂複合体からなる
未硬化の樹脂層を形成するか、又は、熱可塑性樹脂から
なる樹脂層を形成することが望ましい。

【００５７】上記未硬化の樹脂層は、未硬化の樹脂をロ
ールコータ−、カーテンコータ−等により塗布して形成
してもよく、また、未硬化（半硬化）の樹脂フィルムを
熱圧着して形成してもよい。また、熱可塑性樹脂からな
る樹脂層は、フィルム状に成形した樹脂成形体を熱圧着
することにより形成することが望ましい。

【００５８】上記未硬化の樹脂を塗布する場合には、樹
脂を塗布した後、加熱処理を施す。上記加熱処理を施す
ことにより、未硬化の樹脂を熱硬化させることができ
る。

【００５９】また、この絶縁性基板の、後述する接着層
に面する主面に粗化面を形成することが望ましい。絶縁
性基板と接着層との間でアンカー効果を得ることができ
るため、これらの接着強度が非常に優れたものとなると
ともに、絶縁性基板と接着層との接触面積が大きくなる
ため、絶縁性基板及び接着層間の熱の伝導が良好に行わ
れるからである。粗化面は、研磨処理またはエッチング
処理により形成することができる。

【００６０】次に、上記放熱部材と上記絶縁性基板とを
接着層を介して接合する。上記第一の本発明のモジュー
ル用基板において説明した通り、上記接着層を構成する
材料としては、半田、ろう材、接着剤等を挙げることが
できる。ここで、上記放熱部材と絶縁性基板とを半田で
接合するには、上記放熱部材に形成した粗化面に半田ペ
ーストを塗布した後、上記絶縁性基板を上記半田ペース
ト上に載置して加熱リフローすればよい。また、上記絶
縁性基板に粗化面を形成した場合には、絶縁性基板の粗
化面が上記半田ペーストと当接するように、上記絶縁性
基板を半田ペースト上に載置する。このようにして放熱
部材と絶縁性基板とを接合することで、上記放熱部材と
上記接着層との間の接触面積が大きなものとなり、両者
の接着強度は非常に優れたものとなる。

【００６１】そして、上記絶縁性基板の接着層を接合し
た反対面に、銅、アルミニウム等で所定の導体回路を形
成することで、本発明のモジュール用基板を製造する。
上記導体回路は、例えば、絶縁性基板がＡｌＮ等のセラ
ミック材料からなる場合、Ａｌ−Ｓｉを含むろう材を用
いて、上記絶縁性基板の表面に接合することができる。

【００６２】次に、第二の本発明のモジュール用基板に
ついて説明する。第二の本発明のモジュール用基板は、
一主面に導体回路が形成された絶縁性基板と、上記絶縁
性基板の他の主面に接着層を介して接合された放熱板と
を含む、半導体素子を搭載するためのモジュール用基板
であって、上記放熱板は、常温〜３００℃における熱伝
導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金からなると
ともに、上記接着層との界面に粗化面が形成されてお
り、上記放熱板の下方には空冷による放熱手段を備えた
放熱部材が配置されていることを特徴とする。

【００６３】第二の本発明のモジュール用基板では、放
熱板を構成する金属又は合金の常温〜３００℃における
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に高く、また、
上記放熱板の下方に設けられた放熱部材は、空冷による
放熱手段を備えているため、常に上記放熱板を低温状態
に保つことができ、その結果、上記モジュール用基板の
上部に搭載した半導体素子と上記放熱板との熱交換を非
常にスムーズに行うことができ、上記半導体素子の冷却
効率に優れたものとなっている。

【００６４】また、上記放熱板の接着層との界面に形成
されている粗化面も、上記半導体素子の冷却効率の向上
に寄与している。即ち、上記放熱板の接着層との界面に
粗化面が形成されていると両者の接触面積が大きくな
り、その結果、上記放熱板と接着層との間を熱が伝導し
やすくなるのである。さらに、上記粗化面が形成される
ことで、上記放熱板と接着層との間にアンカー効果が働
き、上記放熱板と上記接着層との接着強度が非常に優れ
たものとなっている。

【００６５】図２は、第二の本発明のモジュール用基板
の一主面に半導体素子が搭載されたパワーモジュールの
一例を模式的に示した正面図である。

【００６６】図２に示した通り、第二の本発明のモジュ
ール用基板２００は、その下面に放熱フィン２３０が設
けられた放熱部材２３と、放熱部材２３上に形成された
放熱板２１と、その上に接着層２４を介して配置された
板状の絶縁性基板２２と、両者を接合するための接着層
２４とから構成されており、この絶縁性基板２２の上に
は導体回路２５が形成されている。また、放熱部材２３
と放熱板２１とは、放熱板２１の底面に設けられたネジ
部２８とナット２９とにより固定されており、さらに、
図示はしないが、放熱板２１の接着層２４との界面には
粗化面が形成されている。そして、第二の本発明に係る
パワーモジュール２０は、モジュール用基板２００の導
体回路２５が形成された面に応力緩和層２７を介して半
導体素子２６が搭載され、この半導体素子２６と導体回
路２５とが、ワイヤー２５ａを用いたワイヤーボンディ
ングにより接続されている。

【００６７】即ち、第二の本発明のモジュール用基板２
００は、上述した第一の本発明のモジュール用基板１０
０の放熱部材１３と略同じ構造の放熱部材２３の上に放
熱板２１が形成され、この放熱板２１上に接着層２４を
介して絶縁性基板２２が形成された構造となっており、
第一の本発明のモジュール用基板１００と第二の本発明
のモジュール用基板２００との相違点は、放熱板２１の
有無のみである。従って、ここでは、主に放熱板２１に
ついて説明することとする。

【００６８】放熱板２１は板状であり、このような放熱
板２１を構成する材料は、第一の本発明のモジュール用
基板１００で説明した放熱部材１３と同様の材料を挙げ
ることができる。また、放熱板２１の接着層２４との界
面には、第一の本発明のモジュール用基板１００の放熱
部材１３と同様の粗化面が形成されている。

【００６９】また、第二の本発明のモジュール用基板２
００において、放熱板２１から突出した突起部が、放熱
部材２３に設けられた開口に嵌合されることにより、放
熱部材２３が放熱板２１に固定されていることが望まし
い。放熱部材２３と放熱板２１との熱膨張係数にある程
度差がある場合であっても、放熱部材２３と放熱板２１
とをしっかりと固定することができるからである。具体
的には、図２に示したように、放熱部材２３の上面に設
けた開口（図示せず）に、放熱板２１の底面に設けたネ
ジ部２８（突起部）を差し込み、ナット２９で締め付け
ることで、放熱部材２３と放熱板２１とを固定すること
ができる。なお、第二の本発明のモジュール用基板２０
０において、放熱部材２３と放熱板２１との固定方法
は、これに限定されることはなく、例えば、両者を半
田、ろう材、接着剤等により固定してもよい。

【００７０】さらに、モジュール用基板２００は、図示
しない冷却ファンにより、放熱部材２３が冷却されるよ
うに構成されていることが望ましい。放熱部材２３の冷
却効率が非常に優れたものとなるため、確実に放熱部材
２３を低温状態に保持し、半導体素子２６が過度に加熱
されることを防止することができるからである。

【００７１】以上説明した通り、第二の本発明のモジュ
ール用基板を構成する放熱板は、常温〜３００℃におけ
る熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は合金から
なり、接着層との界面には粗化面が形成されているとと
もに、その下方に空冷による放熱手段を備えた放熱部材
が配置されている。従って、放熱板と接着層との間には
アンカー効果が働き、これらの接着強度が非常に優れた
ものとなる。また、放熱板と接着層との接触面積が大き
くなるため、放熱板と接着層との間を熱が伝導しやすく
なり、放熱板の下方配置された放熱部材に形成された空
冷による放熱手段によって比較的低温状体に保たれた放
熱板と半導体素子との間の熱交換をスムーズに行うこと
ができ、半導体素子の冷却効率が優れたものとなる。

【００７２】次に、第二の本発明のモジュール用基板の
製造方法について説明する。第二の本発明のモジュール
用基板を構成する放熱部材は、上述した第一の本発明の
モジュール用基板において説明した放熱部材と同様にし
て作製することができる。

【００７３】次に、上記放熱部材と同様の材料を所定の
大きさの板状に加工することで放熱板を作製し、その主
面に粗化処理を施す。上記粗化処理としては、上記第一
の本発明のモジュール用基板の製造方法において説明し
た方法と同様の方法を採用することができるため、ここ
ではその説明を省略する。この場合、放熱板は、板状体
であるため粗化処理を容易に行うことができる。そし
て、このようにして作製した放熱板と、上記放熱部材と
をろう付け、半田付け、溶接等により接合する。なお、
上記放熱板に粗化面を形成する工程は、この放熱板と冷
却部材とを接合した後に行ってもよい。

【００７４】また、上記放熱板から突出した突起部が、
上記放熱部材に設けられた開口に嵌合することにより、
上記放熱部材が上記放熱板に固定されることが望まし
い。具体的には、例えば、上記放熱部材をネジにより上
記放熱板に固定するには、まず、放熱部材に開口を形成
し、放熱板の上記放熱部材と接合する面にネジ溝を有す
るネジ部を設ける。そして、上記放熱部材に形成した開
口に、放熱板に設けたネジ部を挿入し、放熱部材の上記
開口を形成した面の反対面からナット等を用いて、上記
ネジ部を締め付けることにより、放熱部材と放熱板とを
固定することができる。なお、上記放熱部材及び放熱板
に設けた開口とネジ部とは、放熱部材と放熱板とを重ね
合わせた際、互いに対向する位置に設けられている。

【００７５】その後、上記第一の本発明のモジュール用
基板の製造方法と同様にして、絶縁性基板を製造し、こ
の絶縁性基板と上記放熱板とを接着層を介して接合した
後、上記絶縁性基板の一の主面に導体回路を形成するこ
とで、第二の本発明のモジュール用基板を製造すること
ができる。

【００７６】

【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００７７】実施例１（図１参照） （１）放熱部材の作製 縦：７０ｍｍ、横：１３０ｍｍ、厚さ：１５ｍｍで、そ
の組成がＣｕ９０重量％、Ｚｒ１０重量％である板状体
に、溝状の凹部を３０本形成することで、その下方に放
熱フィン１３０が形成された放熱部材１３を作製した。
この放熱部材１３の熱伝導率は２７０Ｗ／ｍ・Ｋであっ
た。

【００７８】そして、上記実施の形態で説明した方法に
より、放熱部材１３の放熱フィン１３０非形成側面に黒
化還元処理を施し、ＪＩＳ Ｂ ０６０１によるＲａが
０．１μｍの粗化面を形成した。このとき、粗化面を形
成したくない面には保護層を形成しておき、粗化処理を
終えた後、保護層を除去した。

【００７９】（２）絶縁性基板の作製 まず、窒化アルミニウム粉末（平均粒径：０．６μｍ）
１００重量部、イットリア（平均粒径：０．４μｍ）４
重量部、アクリルバインダー１２重量部及びアルコール
からなる組成物のスプレードライを行い、顆粒状の粉末
を作製した。

【００８０】次に、この顆粒状の粉末を金型に入れ、平
板状に成形して生成形体（グリーン）を得た。

【００８１】次に、この生成形体を１８００℃、圧力２
０ＭＰａでホットプレスし、厚さ４ｍｍの窒化アルミニ
ウム基板を製造した。続いて、この窒化アルミニウム基
板の一主面に、厚さ０．４ｍｍのアルミニウムからなる
導体回路１５を、Ａｌ−Ｓｉを含有するろう材を用いて
接合し絶縁性基板１２を製造した。

【００８２】そして、放熱部材１３の粗化面を形成した
面に半田ペーストを塗布し、この半田ペーストと絶縁性
基板１２の導体回路１５を形成した主面の反対面とが当
接するように絶縁性基板１２を載置し、上記半田ペース
トをリフローすることで、接着層１４を形成して放熱板
１１と絶縁性基板１２とを接合し、第一の本発明のモジ
ュール用基板１００を製造した。

【００８３】得られたモジュール用基板１００を、−５
５℃に保った後、１５０℃に保つヒートサイクルを１０
００回繰り返すヒートサイクル試験に供した後、モジュ
ール用基板１００を縦に切断し、放熱部材１３と絶縁性
基板１２との接合状態（接着層１４）を顕微鏡で観察し
たが、クラック等は全く観察されなかった。

【００８４】次に、このモジュール用基板１００に、Ｉ
ＧＢＴ素子を搭載し、パワーモジュール１０を実際に作
動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したが、ＩＧＢＴ素
子は、素子として充分に機能し得る温度を保持してい
た。

【００８５】実施例２（図２参照） まず、アルミニウムからなる板状体を、実施例１の
（１）の工程と同様の方法で加工して、放熱部材２３を
作製し、この放熱部材２３の放熱板２１と接合する面に
２個の貫通孔を設けた。

【００８６】次に、その組成がＣｕ：９７．６７重量
％、Ｆｅ：２．３０重量％、Ｐ：０．０３重量％、Ｚ
ｎ：０．１０重量％からなる材料を用いて板状の放熱板
２１を作製し、放熱板２１の一方の主面に上記実施の形
態で説明した方法により黒化還元処理を施し、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１によるＲａが０．１μｍの粗化面を形成し
た。

【００８７】この後、放熱板２１の上記粗化面を形成し
た反対面であって、放熱部材２３に形成した貫通孔に対
向する位置に、ネジ溝を形成したネジ部を２個ろう付け
した。そして、放熱部材２３に設けた貫通孔に、放熱板
２１にろう付けしたネジ部を挿入し、ナットを用いて上
記ネジ部を締め付けることで、放熱部材２３を放熱板２
１に固定した。これらの部材の熱伝導率は２６２Ｗ／ｍ
・Ｋであった。

【００８８】そして、その後、実施例１の（２）と同様
の工程を行い、第二の本発明のモジュール用基板２００
を製造した。

【００８９】また、得られたモジュール用基板２００を
実施例１と同条件でヒートサイクル試験したところ、接
着層２４にはクラックが全く観測されなかった。

【００９０】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板２００に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、パワーモジ
ュール２０を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測
定したが、ＩＧＢＴ素子は、素子として充分に機能し得
る温度を保持していた。

【００９１】実施例３ 絶縁性基板の接着層に面することになる面に、放熱板に
形成した粗化面と同様の粗化面を研磨処理により形成し
たほかは、実施例１と同様にしてモジュール用基板を製
造した。

【００９２】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にはクラ
ックが全く観測されなかった。

【００９３】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、パワーモジュール
を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したが、
ＩＧＢＴ素子は、素子として充分に機能し得る温度を保
持していた。

【００９４】実施例４ 絶縁性基板を導体回路及び半導体素子が設けられた領域
にのみ形成したほかは、実施例１と同様にしてモジュー
ル用基板を製造した。

【００９５】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にはクラ
ックが全く観測されなかった。

【００９６】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、パワーモジュール
を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したが、
ＩＧＢＴ素子は、素子として充分に機能し得る温度を保
持していた。

【００９７】比較例１ 放熱板に粗化面を形成しなかったほかは、実施例１と同
様にしてモジュール用基板を製造した。

【００９８】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にクラッ
クが発生していた。

【００９９】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載し、パワーモジュール
を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したとこ
ろ、ＩＧＢＴ素子は、時間の経過とともに温度が上昇
し、素子として充分に機能し得る温度を超えてしまっ
た。これは、時間の経過とともに放熱板と絶縁性基板と
を接合する接着層にクラックが発生したため、放熱板と
ＩＧＢＴ素子との間の熱交換がスムーズに行えなくなっ
たからであると考えられる。

【０１００】比較例２ 放熱部材を設けずに、放熱板のみを設けたほかは実施例
２と同様にしてモジュール用基板を製造した。

【０１０１】得られたモジュール用基板を実施例１と同
条件でヒートサイクル試験したところ、接着層にクラッ
クは観測されなかった。

【０１０２】さらに、実施例１と同様に、このモジュー
ル用基板に、ＩＧＢＴ素子を搭載してパワーモジュール
を実際に作動させ、ＩＧＢＴ素子の温度を測定したとこ
ろ、ＩＧＢＴ素子は、時間の経過とともに徐々に温度が
上昇し、最終的には素子として充分に機能し得る温度を
超えてしまった。これは、放熱板と接着層との接着強度
は非常に優れていたため、上記接着層にクラックが発生
することはなかったものの、上記ＩＧＢＴ素子の冷却効
率が劣っていたため、時間の経過とともに、上記ＩＧＢ
Ｔ素子の温度が徐々に上昇し、最終的に素子として充分
に機能し得る温度を超えてしまったものと考えられる。

【０１０３】

【発明の効果】以上、説明した通り、第一の本発明のモ
ジュール用基板は、放熱部材の熱伝導率が充分に高く、
放熱部材と絶縁性基板との接着強度にも優れ、かつ、半
導体素子の冷却効率に優れるため、温度サイクルに対す
る耐久性に優れ、発熱量の大きい半導体素子を搭載する
ための基板として好適に用いることができる。

【０１０４】また、第二の本発明のモジュール用基板
は、放熱部材及び放熱板の熱伝導率が充分に高く、放熱
板と絶縁性基板との接着強度にも優れ、かつ、半導体素
子の冷却効率に優れるため、温度サイクルに対する耐久
性に優れ、発熱量の大きい半導体素子を搭載するための
基板として好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の本発明のモジュール用基板の一主面に半
導体素子が搭載されたパワーモジュールの一例を模式的
に示した正面図である。

【図２】第二の本発明のモジュール用基板の一主面に半
導体素子が搭載されたパワーモジュールの一例を模式的
に示した正面図である。

【図３】異なる構造の絶縁性基板を有するパワーモジュ
ールの一例を模式的に示した正面図である。

【図４】従来のパワーモジュールの一例を模式的に示し
た正面図である。

【符号の説明】

１０、２０ パワーモジュール １２、２２ 絶縁性基板 １３、２３ 放熱部材 １４、２４ 接着層 １５、２５ 導体回路 １５ａ、２５ａ ワイヤー １６、２６ 半導体素子 １００、２００ モジュール用基板 １３０、２３０ 放熱フィン ２１ 放熱板

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AB06 BB03 FA04 5F036 AA01 BA23 BB01 BB21 BC05 BD01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一主面に導体回路が形成された絶縁性基
   板と、前記絶縁性基板の他の主面に接着層を介して接合
   された放熱部材とを含む、半導体素子を搭載するための
   モジュール用基板であって、前記放熱部材は、常温〜３
   ００℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属
   又は合金からなり、前記接着層との界面に粗化面が形成
   されるとともに、空冷による放熱手段を備えていること
   を特徴とするモジュール用基板。
2. 【請求項２】 一主面に導体回路が形成された絶縁性基
   板と、前記絶縁性基板の他の主面に接着層を介して接合
   された放熱板とを含む、半導体素子を搭載するためのモ
   ジュール用基板であって、前記放熱板は、常温〜３００
   ℃における熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属又は
   合金からなるとともに、前記接着層との界面に粗化面が
   形成されており、前記放熱板の下方には空冷による放熱
   手段を備えた放熱部材が配置されていることを特徴とす
   るモジュール用基板。
3. 【請求項３】 放熱板から突出した突起部が、放熱部材
   に設けられた開口に嵌合されることにより、前記放熱部
   材が前記放熱板に固定されている請求項２記載のモジュ
   ール用基板。
4. 【請求項４】 放熱部材は、放熱手段として放熱フィン
   を備えている請求項１〜３のいずれか１記載のモジュー
   ル用基板。
5. 【請求項５】 冷却ファンにより、放熱部材が冷却され
   るように構成されている請求項１〜４のいずれか１記載
   のモジュール用基板。
6. 【請求項６】 放熱部材及び／又は放熱板は、銅を主成
   分とする合金又はアルミニウムからなる請求項１〜５の
   いずれか１記載のモジュール用基板。
7. 【請求項７】 絶縁性基板は、少なくとも導体回路が形
   成された部分と、半導体素子が搭載される部分とに形成
   されている請求項１〜６のいずれか１記載のモジュール
   用基板。
8. 【請求項８】 少なくとも導体回路が形成された部分の
   絶縁性基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素
   及び金属酸化物から選択される少なくとも１種のセラミ
   ック、又は、絶縁性樹脂からなり、半導体素子が搭載さ
   れる部分の絶縁性基板は、前記セラミックからなる請求
   項１〜７のいずれか１記載のモジュール用基板。
9. 【請求項９】 接着層に面した絶縁性基板の界面に粗化
   面が形成されている請求項１〜８のいずれか１記載のモ
   ジュール用基板。