特許 6024153 ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6024153

(24)【登録日】2016年10月21日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20161027BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20161027BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20161027BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

   H01L23/36 C

   H01L23/36 Z

   H01L23/40 D

   H05K7/20 B

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-78575(P2012-78575)

(22)【出願日】2012年3月30日

(65)【公開番号】特開2013-211289(P2013-211289A)

(43)【公開日】2013年10月10日

【審査請求日】2014年9月26日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】長友 義幸

(72)【発明者】

【氏名】長瀬 敏之

【審査官】 木下 直哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１２４０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３０９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２５２３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２５０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０９３６５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０５５７４６２６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁層の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記ヒートシンクとの対向する面に、前記金属層の面から突出する複数の金属層側突起部と、前記ヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部とが設けられ、
前記金属層側突起部が前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記ヒートシンク側突起部が前記金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、
前記金属層側突起部の先端が前記ヒートシンク側突起部の基部に突き刺さっていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項2】

前記金属層側突起部は、前記金属層と前記ヒートシンクとを対向配置した状態で、前記ヒートシンク側に向かうにしたがって、漸次、前記金属層と前記ヒートシンクとの積層方向と直交する方向の一方側に向かうように設けられ、
前記ヒートシンク側突起部は、前記金属層側に向かうにしたがって、漸次、前記積層方向と直交する方向の他方側に向かうように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項3】

前記金属層側突起部が前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記ヒートシンク側突起部が前記金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されている状態を維持する嵌合維持手段を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項4】

前記嵌合維持手段は、
前記金属層及び前記ヒートシンクが対向する面において、
前記金属層または前記ヒートシンクのいずれか一方の面に設けられたピンと、
前記金属層または前記ヒートシンクのいずれか他方の面に前記ピンと対応する位置に形成されたピン穴と、を有し、
前記ピンと前記ピン穴が係合することを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項5】

前記金属層側突起部は、前記ヒートシンク側突起部に比べて変形に対する抵抗力が大きいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項6】

前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部において、グリースが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【請求項7】

絶縁層の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層と接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層と前記ヒートシンクが対向する面に、前記金属層の面から突出する複数の金属層側突起部と、前記ヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部と、を形成し、
前記金属層と前記ヒートシンクを対向配置し、
前記金属層側突起部を前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、前記ヒートシンク側突起部を前記金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、
前記金属層側突起部の先端を前記ヒートシンク側突起部の基部に突き刺すことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、絶縁層の一方の面に、回路層が配設されるとともに、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層と接合されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びそのヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子（電子部品）は、従来の半導体素子と比べて発熱量が多い。このパワー素子を搭載するパワーモジュール用基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に、導電性の優れた金属板が、回路層及び金属層として接合されたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。

【0003】

そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層の表面には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、金属層の表面には、熱伝導性に優れたヒートシンクを接合し、放熱させる構造とされている。
例えば、特許文献１に記載のパワーモジュールでは、パワーモジュール用基板の下方にヒートシンクが設けられ、このパワーモジュール用基板とヒートシンクは、グリースを介してネジ留めされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４−２８８８２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、金属層及びヒートシンクは、反りを有していたり、平滑度が悪かったりするために、金属層とヒートシンクとを接触させた際に、金属層とヒートシンクとの間に隙間が生じる。この場合、金属層とヒートシンクの接合部における熱の伝達が空気を介することとなり、接合部において熱抵抗が大きくなる問題がある。

【0006】

上記のような理由のため、特許文献１に記載されたパワーモジュールにおいては、金属層とヒートシンクとは、グリースを介して接合されているが、グリースは金属層やヒートシンクと比べて熱抵抗が大きいために、電子部品（半導体素子）の放熱が不十分となり、温度が上昇して電子部品の性能が低下するおそれがある。
さらには、熱サイクル及びパワーサイクル負荷時において、グリースが劣化したり、グリースの内部に空隙が生じたりする場合がある。すると、接合部においてさらに熱抵抗が大きくなる問題が生じる。

【0007】

特に、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、電子部品からの発熱量が従来よりも増加する傾向にある。そして、この発熱を抑制し、電子部品を適切な温度で動作させるために、電子部品の使用時において、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低下させて電子部品の熱を十分に放散することが求められている。

【0008】

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低減し、電子部品の温度上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの対向する面に、前記金属層の面から突出する複数の金属層側突起部と、前記ヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部とが設けられ、前記金属層側突起部が前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記ヒートシンク側突起部が前記金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記金属層側突起部の先端が前記ヒートシンク側突起部の基部に突き刺さっていることを特徴としている。

【0010】

このヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層とヒートシンクが対向する面に、金属層の面から突出する複数の金属層側突起部と、ヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部とが設けられ、金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されている。金属層とヒートシンクは、反りを有していたり、平滑度が悪かったりするために、金属層とヒートシンクとを接触させた際に隙間が生じるが、上述のように、金属層とヒートシンクとの間に設けられた金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の間に挿入されて嵌合されることにより、金属層とヒートシンクが、金属層側突起部及びヒートシンク側突起部を介して物理的に接続されることになる。よって、金属層からヒートシンクへと金属層側突起部及びヒートシンク側突起部を介して熱を効率的に伝達でき、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低減することが可能となる。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板をパワーモジュールに適用した際に、電子部品に発生する熱を十分に放熱することが可能となり、電子部品の温度上昇を抑制することができる。
また、金属層側突起部はヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部は金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されているので、金属層とヒートシンクとが離れる方向に引き抜くことによって、金属層側突起部とヒートシンク側突起部との嵌合を外し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを分離することが可能である。
なお、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。

【0011】

また、前記金属層側突起部は、前記金属層と前記ヒートシンクとを対向配置した状態で、前記ヒートシンク側に向かうにしたがって、漸次、前記金属層と前記ヒートシンクとの積層方向と直交する方向の一方側に向かうように設けられ、前記ヒートシンク側突起部は、前記金属層側に向かうにしたがって、漸次、前記積層方向と直交する方向の他方側に向かうように設けられても良い。
このような構成にすることによって、金属層側突起部をヒートシンク側突起部の間の隙間に斜め方向から挿入して嵌合させることで、容易かつ確実に、金属層側突起部をヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合させることができる。また、ヒートシンク側突起部についても同様に、金属層側突起部の間の隙間に斜め方向から挿入して嵌合させることによって、容易かつ確実に、ヒートシンク側突起部を金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合させることができる。

【0012】

また、前記金属層側突起部が前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記ヒートシンク側突起部が前記金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されている状態を維持する嵌合維持手段を備えていても良い。
この場合、金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、前記ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されている状態を維持する嵌合維持手段を備えているので、金属層及びヒートシンクが、金属層側突起部及びヒートシンク側突起部によって確実に接続され、金属層とヒートシンクの接合部における熱抵抗を低減することができる。

【0013】

また、前記嵌合維持手段は、前記金属層及び前記ヒートシンクが対向する面において、前記金属層または前記ヒートシンクのいずれか一方の面に設けられたピンと、前記金属層または前記ヒートシンクのいずれか他方の面に前記ピンと対応する位置に形成されたピン穴と、を有し、前記ピンと前記ピン穴が係合する構成とされても良い。
この場合には、金属層またはヒートシンクのいずれか一方の面にピンが設けられ、金属層又はヒートシンクのいずれか他方の面にピン穴が形成され、ピンとピン穴が係合する構成とされているので、金属層側突起部をヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合され、ヒートシンク側突起部を金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合されている状態を維持することができる。また、ピンとピン穴が係合することによって、嵌合する際の嵌合の位置精度を向上させることができる。そして、所定の位置に容易かつ確実に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することが可能となる。

【0014】

また、前記金属層側突起部は、前記ヒートシンク側突起部に比べて変形に対する抵抗力が大きい構成とされても良い。
この場合には、金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合された後に、金属層側突起部を変形させることなく金属層側突起部とヒートシンク側突起部の嵌合を外し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを分離することができる。そして、この嵌合状態から一度外された金属層側突起部を、金属層側突起部の隙間へと再び挿入して嵌合することができ、パワーモジュール用基板を別の新しいヒートシンクへと再度接合することが可能である。
例えば、金属層側突起部の降伏強度をヒートシンク側突起部よりも高くしたり、金属層側突起部の厚さをヒートシンク側突起部の厚さよりも厚くしたりすることによって、金属層側突起部の変形に対する抵抗力を大きくすることができる。

【0015】

また、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部において、グリースが設けられている構成とされても良い。
金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合されている金属層とヒートシンクの接合部において、これらの突起部の隙間にグリースを設けることによって、熱抵抗をさらに低減することが可能となる。また、これらの突起部によりグリースが移動することが防止されるため、グリースが接合部から抜け難くすることができる。

【0016】

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層と接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層と前記ヒートシンクが対向する面に、前記金属層の面から突出する複数の金属層側突起部と、前記ヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部と、を形成し、前記金属層と前記ヒートシンクを対向配置し、前記金属層側突起部を前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、前記ヒートシンク側突起部を前記金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、前記金属層側突起部の先端を前記ヒートシンク側突起部の基部に突き刺すことを特徴としている。

【0017】

このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層とヒートシンクが対向する面に、金属層の面から突出する複数の金属層側突起部とヒートシンクの面から突出する複数のヒートシンク側突起部とを形成し、金属層とヒートシンクを対向配置し、金属層側突起部をヒートシンク側突起部の間の隙間に嵌合し、ヒートシンク側突起部を金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合する構成とされている。このような構成にすることによって、金属層とヒートシンクが反りを有していたり、平滑度が悪かったりするために、金属層とヒートシンクとを接触させた際に隙間が生じた場合であっても、金属層とヒートシンクとの間が金属層突起部とヒートシンク突起部とによって、物理的に接続された接合部を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることが可能である。

【0018】

また、前記金属層側突起部を前記ヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、前記ヒートシンク側突起部を前記金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合した後に、前記金属層と前記ヒートシンクとを押圧することによって、前記金属層側突起部と前記ヒートシンク側突起部とを塑性変形させる構成とした場合には、金属層側突起部とヒートシンク側突起とが接触する面積が増加し、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低減することができる。さらには、金属層側突起部がヒートシンクに接触し、ヒートシンク側突起部が金属層に接触するので接合部における熱抵抗を低減することができる。また、金属層側突起部とヒートシンク側突起部がより強固に接続されるので、金属層とヒートシンクの接合部における接合強度を高めることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低減し、電子部品の温度上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールの概略説明図である。

【図2】図１の接合部の拡大図である。

【図3】一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板に適用するパワーモジュール用基板の概略説明図である。

【図4】図３の金属層側突起部の拡大図である。

【図5】一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板に適用するヒートシンクの概略説明図である。

【図6】図５のヒートシンク側突起部の拡大図である。

【図7】パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。

【図8】パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。

【図9】金属層側突起部の形成方法の概略説明図である。

【図10】ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。

【図11】金属層側突起部とヒートシンク側突起部が嵌合された後に押しつぶされたヒートシンク付パワーモジュール用基板における接合部の概略説明図である。

【図12】金属層側突起部の先端がヒートシンク側突起部の基端に突き刺さっている場合の接合部の概略説明図である。

【図13】金属層にピンが設けられ、ヒートシンクにピン穴が形成されている場合の金属層及びヒートシンクの概略説明図である。

【図14】図１３におけるピン及びピン穴の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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、本発明の一実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板２を適用したパワーモジュール１について説明する。このパワーモジュール１は、図１で示すように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２と、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２に接合された半導体素子１０（電子部品）と、を備えている。

【0022】

半導体素子１０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。この半導体素子１０に電流が流れると半導体素子１０自体が発熱する。また、このパワーモジュール１は、エンジンルーム等の高温環境下で使用されることがある。ここで、半導体素子１０の使用温度が所定の温度を超えた場合、性能が落ちたり、破損したりすることがある。このため、半導体素子１０の機能を十分に発揮させるには、十分な放熱を行い、適正な温度で動作させる必要がある。
本実施形態においては、半導体素子１０とヒートシンク付パワーモジュール用基板２は、はんだ１１を介して接合されている。

【0023】

ヒートシンク付パワーモジュール用基板２は、パワーモジュール用基板３と、このパワーモジュール用基板３に接合されたヒートシンク２０と、を備えている。
そして、パワーモジュール用基板３は、絶縁層３０と、絶縁層３０の一方の面（図１において上面）に配設された回路層４０と、絶縁層３０の他方の面（図１において下面）に配設された金属層５０と、を備えている。

【0024】

絶縁層３０は、回路層４０と金属層５０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、絶縁層３０の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

【0025】

回路層４０は、絶縁層３０の一方の面に、導電性を有する金属板が接合されることにより、形成されている。本実施形態においては、回路層４０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、絶縁層３０に接合されることにより形成されている。

【0026】

金属層５０は、絶縁層３０の他方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層５０は、回路層と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板が、絶縁層３０に接合されることにより形成されている。
そして、金属層５０の絶縁層３０が配設されていない側の面（他方の面側）には、図２に示すように、当該面から突出する金属層側突起部５１が複数設けられている。
この金属層側突起部５１は、金属層５０のヒートシンク２０と対向する面（図１において下面）から突出し、金属層５０と同種の金属で構成されている。

【0027】

ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板３の下方に取り付けられ、半導体素子１０からヒートシンク付パワーモジュール用基板２側へと伝達された熱を放散し、半導体素子１０を冷却するためのものである。このヒートシンク２０は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。本実施形態においては、ヒートシンク２０は、下方に向けて垂設された放熱フィン２２を備えている。放熱フィン２２は、放熱面積を大きくし、冷却効率を向上させるために設けられるものである。
そして、ヒートシンク２０の金属層５０と対向する面（図１において上面）には、図２に示すように、当該面から突出する複数のヒートシンク側突起部２１が複数設けられている。
このヒートシンク側突起部２１は、ヒートシンク２０の金属層５０と対向する面（図１において上面）から突出し、ヒートシンク２０と同種の金属で構成されている。

【0028】

そして、ヒートシンク２０と金属層５０との間には接合部６０が形成されている。
接合部６０は、金属層５０とヒートシンク２０とを接合するものであり、金属層５０とヒートシンク２０との間で、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されて嵌合されることにより形成されている。そして、これらの金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１とによって、金属層５０とヒートシンク２０とが物理的に接続されるようになっている。

【0029】

次に、ヒートシンク２０と接合される前のパワーモジュール用基板３を説明する。
パワーモジュール用基板３は、図３で示すように、絶縁層３０と、絶縁層３０の一方の面（図３において上面）に配設された回路層４０と、絶縁層３０の他方の面（図３において下面）に配設された金属層５０と、を備えている。

【0030】

ヒートシンク２０と接合される前において、金属層５０の絶縁層３０が配設されていない側の面には、図４で示すように、複数の金属層側突起部５１が形成されている。本実施形態においては、金属層側突起部５１は、金属層５０とヒートシンク２０とを対向配置した状態で、ヒートシンク２０側（図４において下側）に向かうにしたがって、漸次、金属層５０とヒートシンク２０との積層方向と直交する方向の一方側（図４において左方向）に向かうように形成され、ヒートシンク側突起部２１の間の隙間に対応する形状とされている。図４においては、金属層側突起部５１は、板形状をしており、基端から先端に向かって、金属層５０の下面（他方の面側）から斜め下方に（図４において、右上方向から左下方向に）傾斜して、カール状に延在している。
この金属層側突起部５１は、金属層５０と同種の金属で構成されており、金属層側突起部５１の先端は、基端よりも厚みが薄くなっている。さらに、金属層側突起部５１は、金属層５０の積層方向（図３の上下方向）に押圧されることによって、たわみ変形可能となっている。

【0031】

ヒートシンク２０と接合される前の金属層側突起部５１の高さ（図４のｈ１で示す高さ）は、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましいとされている。特に好ましい範囲として、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下とされている。また、金属層側突起部５１の間隔（図４のｄ１で示す距離）は、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましいとされている。特に好ましい範囲として、０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされている。

【0032】

次に、金属層５０と接合される前のヒートシンク２０を説明する。
金属層５０と接合される前のヒートシンク２０は、図５及び図６で示すように、ヒートシンク２０の一方の面に複数のヒートシンク側突起部２１が設けられ、他方の面から下方に向けて垂設された放熱フィン２２が設けられている。このヒートシンク２０は、放熱の用途として、パワーモジュール用基板３の金属層５０に接合されて用いられる。

【0033】

金属層５０と接合される前のヒートシンク側突起部２１は、本実施形態においては、金属層５０とヒートシンク２０とを対向配置した状態で、ヒートシンク２０側（図６において上側）に向かうにしたがって、漸次、金属層５０とヒートシンク２０との積層方向と直交する方向の他方側（図６において右方向）に向かうように設けられ、金属層側突起部５１の間の隙間に対応する形状とされている。図６においては、このヒートシンク側突起部２１は、板形状をしており、ヒートシンク２０の上面に対して斜め方向に（図６において、右上方向から左下方向に）傾斜して、カール状に延在している。また、ヒートシンク側突起部２１は、複数設けられており、それぞれが同じ方向に向いている。
このヒートシンク側突起部２１は、ヒートシンク２０と同様の金属で構成されており、ヒートシンク２０の積層方向（図５及び図６の上下方向）に押圧されることによって、たわみ変形可能となっている。

【0034】

金属層５０と接合される前のヒートシンク側突起部２１の高さ（図６のｈ２で示す高さ）は、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましいとされている。特に好ましい範囲として、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下とされている。また、ヒートシンク側突起部２１の間隔（図６のｄ２で示す距離）は、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましいとされている。特に好ましい範囲として、０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされている。

【0035】

次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図７に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層４０となるアルミニウム板７０及び金属層５０となるアルミニウム板８０を準備する。そして、図８で示すように、絶縁層３０の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、アルミニウム板７０、８０と絶縁層３０とを接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。

【0036】

次に、アルミニウム板８０の表面に、切り出し加工やロール加工等の機械加工により、図４で示した金属層側突起部５１を形成する（金属層側突起部形成工程Ｓ１２）。本実施形態では、図９で示すように、アルミニウム板８０の表面に対して斜め方向（図９の矢印方向）に傾斜して刃９０を侵入させ、切り出した面をアルミニウム板８０の表面に対して垂直方向に起こすことにより板形状の金属層側突起部５１を、当該面から傾斜する方向に突出するように形成する。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板３が製造される。

【0037】

次いで、ヒートシンク２０の表面にも同様にして、ヒートシンク側突起部２１を、当該面から傾斜する方向に突出するように形成する（ヒートシンク側突起部形成工程Ｓ１３）。
そして、図１０で示すように、金属層５０の絶縁層３０と接合されていない側の面に、ヒートシンク２０の一方の面を対向配置し、金属層側突起部５１をヒートシンク側突起部２１の間の隙間に斜め方向から挿入して嵌合させ、ヒートシンク側突起部２１を金属層側突起部５１の間の隙間に斜め方向から挿入して嵌合させて、金属層５０とヒートシンク２０を接合し、パワーモジュール用基板３の下方にヒートシンク２０を配設する（ヒートシンク接合工程Ｓ１４）。この際に、金属層５０とヒートシンク２０の対向する面から突出する金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１によって、金属層５０とヒートシンク２０とが物理的に接続されるようになっている。
こうして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２が製造される。

【0038】

そして、回路層４０の表面に、はんだ１１を介して半導体素子１０を接合する。このはんだ付けの温度は、２５０℃以上３５０℃以下に設定されている（半導体素子接合工程Ｓ１５）。このようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。

【0039】

次に、このパワーモジュール１の熱の流れを説明する。半導体素子１０から発生した熱は、パワーモジュール用基板３側へと伝熱され、さらに金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１を介してヒートシンク２０へと熱が伝達されることとなる。そして、放熱フィン２２を通じて放熱される。

【0040】

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２においては、金属層５０の面から突出する複数の金属層側突起部５１とヒートシンク２０の面から突出する複数のヒートシンク側突起部２１とが設けられ、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されて嵌合されている。金属層５０とヒートシンク２０は、反りを有していたり、平滑度が悪かったりするために、金属層５０とヒートシンク２０とを接触させた際に隙間が生じるが、金属層５０とヒートシンク２０との間に設けられた金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１とが対応する隙間にそれぞれ嵌合されており、金属層５０とヒートシンク２０が金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１を介して物理的に接続されている。よって、金属層５０からヒートシンク２０へとこれらの突起部を介して熱を効率的に伝達でき、金属層５０とヒートシンク２０との接合部６０における熱抵抗を低減することができる。そして、このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板２をパワーモジュール１に適用した場合に、半導体素子１０に発生する熱を十分に放熱することが可能となり、半導体素子１０の温度上昇を抑制することができる。

【0041】

また、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されて嵌合されているので、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１が離れる方向に引き抜くことによって、金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１を嵌合されている隙間から外し、パワーモジュール用基板３とヒートシンク２０とを分離することができる。そして、パワーモジュール用基板３またはヒートシンク２０を必要に応じて新しいものと交換し、再度、金属層側突起部５１をヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入して嵌合させ、ヒートシンク側突起部２１を金属層側突起部５１の間の隙間に挿入して嵌合させ、パワーモジュール用基板３とヒートシンク２０とを接合することができる。

【0042】

また、本実施形態においては、金属層側突起部５１は、金属層５０とヒートシンク２０とを対向配置した状態で、ヒートシンク２０側に向かうにしたがって、漸次、金属層５０とヒートシンク２０との積層方向と直交する方向の一方側に向かうように設けられ、ヒートシンク側突起部２１は、金属層５０側に向かうにしたがって、漸次、金属層５０とヒートシンク２０との積層方向と直交する方向の他方側に向かうように設けられ、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に対応する形状とされ、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に対応する形状とされている。このような構成にした場合、金属層側突側起部１５及びヒートシンク側突起部２１が、金属層側突起部５１の間の隙間及びヒートシンク側突起部２１の間の隙間へ、斜め方向から挿入されると、互いに阻害されることなく金属層５０とヒートシンク２０との隙間に応じて、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に嵌合される。そして、広範囲にわたって金属層５０とヒートシンク２０とを、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１を介して物理的に接続することができ、接合部６０における熱抵抗を低減することが可能である。

【0043】

また、パワーモジュール用基板３とヒートシンク２０が接合される前の金属層側突起部５１の高さが、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下、ヒートシンク側突起部２１の高さが、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下とされている。よって、パワーモジュール用基板３をヒートシンク２０と接合する際に、金属層５０とヒートシンク２０との隙間に応じて、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されて嵌合され、金属層５０とヒートシンク２０とが物理的に接続されることとなるので、接合部６０における熱抵抗を低減することが可能となる。

【0044】

金属層５０とヒートシンク２０を接触させた際には、金属層５０及びヒートシンク２０の反りや平滑度に起因して隙間が生じるが、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１の高さの合計をこの隙間の最大高さ以上に設定することによって、金属層５０とヒートシンク２０との隙間に応じて金属層側突起部５１をヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入して嵌合し、ヒートシンク側突起部２１を金属層側突起部５１の間の隙間に挿入して嵌合することができ、金属層５０とヒートシンク２０の接合部６０における熱抵抗を低減することが可能となる。本実施形態では、嵌合による十分な接触を確保するために、金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１の好ましい高さは、それぞれ、０．３ｍｍ以上に設定されている。また、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１の高さが２ｍｍを越えると接合部６０の高さが高くなりすぎて熱抵抗が大きくなることがあるため、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１の好ましい高さは、それぞれ、２ｍｍ以下に設定されている。

【0045】

さらに、金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１の好ましい間隔が、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下とされているので、パワーモジュール用基板３をヒートシンク２０と接合する際に、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１が互いに阻害されることなく、金属層側突起部５１をヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入して嵌合し、ヒートシンク側突起部２１を金属層側突起部５１の間の隙間に挿入して嵌合することができる。このようにすることによって、金属層５０とヒートシンク２０を物理的に接続して接合部６０の熱抵抗を確実に低減することが可能となる。

【0046】

金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１の間隔が２ｍｍを超える場合には、接合部６０において、突起部同士の間隔が広くなりすぎるために、熱抵抗の低減効果が得られなくなることがある。また、０．５ｍｍ未満の場合には、間隔が狭すぎるため金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１が対応する隙間に上手くかみ合わず、嵌合できなくなる場合があるので、上記の範囲に設定されている。

【0047】

また、金属層５０とヒートシンク２０が、熱伝導性に優れる金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１を介して物理的に接続されているので、単にグリースを介して接合していた従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板と比較して、金属層５０とヒートシンク２０の接合部６０における熱抵抗を低減することができる。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板２をパワーモジュール１に適用したときに、半導体素子１０（電子部品）から発生する熱を効率よくヒートシンク２０を通じて放熱することが可能となる。

【0048】

また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、半導体素子１０がパワーモジュール用基板３に接合され、さらにパワーモジュール用基板３にはヒートシンク２０が接合されているので、半導体素子１０から発生する熱を、ヒートシンク２０を介して放熱することが可能である。そして、金属層５０とヒートシンク２０が、熱伝導性が優れる金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１を介して接合されているので、熱サイクル負荷時においても、金属層５０とヒートシンク２０との接合部６０における熱抵抗が上昇せず、金属層５０からヒートシンク２０へと効率よく放熱することができ、半導体素子１０を適正な温度で動作させることができる。このため、半導体素子１０の能力を十分に引き出し、また半導体素子１０の寿命を向上させることができる。

【0049】

また、従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、金属層とヒートシンクの間にグリースを塗布しており、熱サイクルを負荷した際にグリースが劣化したり、グリースの内部に空隙が生じたりして、接合部において熱抵抗が上昇していた。これに対して、本実施形態の金属層５０とヒートシンク２０の間は、金属層５０とヒートシンク２０の間を熱伝導性が良好な金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１により接続されている。このような構成にすることにより、熱サイクル負荷時においても、金属層側突起部５１及びヒートシンク側突起部２１が金属層５０とヒートシンク２０の間を物理的に接続された状態を維持することができ、経時的な熱抵抗の上昇が抑制される。そのため、熱サイクルを多くの回数負荷された場合においても、半導体素子１０から発生する熱を十分に放熱することが可能となり、パワーモジュール１の経時変化に対する信頼性を向上させることができる。

【0050】

以上、本発明の一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。

【0051】

なお、上記実施の形態においては、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されて嵌合されている場合について説明したが、図１１で示すように、嵌合された後に金属層１５０とヒートシンク１２０とを押圧することにより金属層側突起部１５１とヒートシンク側突起部１２１を金属層１５０とヒートシンク１２０との間で押しつぶす（塑性変形させる）構成としても良い。こうすることによって金属層側突起部１５１及びヒートシンク側突起部１２１が、互いに接触する面積が増加するので熱が伝達されやすくなり、接合部１６０における熱抵抗を低減することが可能である。さらには、金属層側突起部１５１がヒートシンク１２０と接触し、ヒートシンク側突起部１２１が金属層１５０と接触することとなるので、接合部１６０における熱抵抗をさらに低減することができる。また、金属層側突起部１５１とヒートシンク側突起部１２１をより強固に接続することができる。

【0052】

また、上記実施の形態では、金属層側突起部５１とヒートシンク側突起部２１は、４Ｎアルミニウムで構成されている場合について説明したが、金属層側突起部の降伏強度がヒートシンク側突起部の降伏強度よりも高くなるように設定して、金属層側突起部の変形に対する抵抗力を、ヒートシンク側突起部の変形に対する抵抗力よりも大きくしても良い。例えば、金属層側突起部が純銅、ヒートシンク側突起部が４Ｎアルミニウムの場合や金属層側突起部がアルミニウム合金、ヒートシンク側突起部が４Ｎアルミニウムの場合などが挙げられる。
また、金属層側突起部とヒートシンク側突起部の降伏強度が同等の金属材料で構成されている場合には、金属層側突起部の厚さ（基端の厚さ）をヒートシンク側突起部の厚さ（基端の厚さ）よりも厚くして、金属層側突起部の変形に対する抵抗力を大きくしても良い。

【0053】

上述のような構成にすることによって、金属層側突起部がヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部が金属層側突起部の間の隙間に挿入されて嵌合された後に、金属層側突起部を変形させることなくヒートシンク側突起部の間の隙間から抜き、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを分離することができる。そして、この嵌合状態から一度外された金属層側突起部を、金属層側突起部の隙間へと再度挿入して嵌合することができ、パワーモジュール用基板を別の新しいヒートシンクへと再度接合することが可能である。
また、図１１で示したように、金属層側突起部をヒートシンク側突起部の間の隙間に挿入して嵌合し、ヒートシンク側突起部を金属層側突起部の間の隙間に挿入して嵌合した後に金属層側突起部とヒートシンク側突起部とを押しつぶした（塑性変形させた）場合であっても、金属層側突起部がヒートシンク側突起部よりも変形し難い構成とされているので、ヒートシンク側突起部が起き上がる方向に金属層側突起部を移動させてヒートシンク側突起部を塑性変形させて再び起こし、金属層側突起部とヒートシンク側突起部とを分離することが可能である。そして、分離されたパワーモジュール用基板を、別の新しいヒートシンクへ再度接合することができる。

【0054】

また、上記実施の形態においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２において、金属層側突起部５１がヒートシンク側突起部２１の間の隙間に挿入されて嵌合され、ヒートシンク側突起部２１が金属層側突起部５１の間の隙間に挿入されている場合について説明したが、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が、上述のように嵌合されている状態を維持する嵌合維持手段を備えていても良い。嵌合維持手段は、例えば、図１２で示すように、金属層側突起部２５１の先端が、ヒートシンク側突起部２２１の基端（ヒートシンク側突起部２２１とヒートシンク２２０との境界）に突き刺ささる構成とされても良い。

【0055】

このような構成にすることによって、金属層側突起部２５１がヒートシンク側突起部２２１及びヒートシンク２２０に固定されるので、金属層２５０とヒートシンク２２０とを確実に物理的に接続し、接合部２６０における熱抵抗を低減することが可能である。
さらに、金属層側突起部の先端に玉を予め形成しておき、玉がヒートシンク側突起部とヒートシンクとの境界に引っかかるようにして金属層側突起部とヒートシンク側突起部及びヒートシンクとがさらに強く固定されるようにしても良い。
また、ヒートシンク側突起部の先端が金属層側突起部の基端に突き刺さり固定される構成とされても良い。

【0056】

また、嵌合維持手段は、図１３で示すように、金属層３５０とヒートシンク３２０が対向する面において、金属層３５０の面に設けられたピン３５３と、ヒートシンク３２０の面にピン３５３に対応する位置に形成されたピン穴３２３とを有し、このピン３５３とピン穴３２３を係合する構成とされても良い。さらに、図１４で示すように、ピン３５３に係合凸部３５４が設けられ、ピン穴３２３に係合凹部３２４が形成されている構成とされても良い。
このような構成にすることによって、金属層側突起部３５１をヒートシンク側突起部３２１の間の隙間に挿入する際に、ピン３５３がピン穴３２３に対応するように、図１４の破線矢印で示す方向に金属層３５０を移動させて、ピン３５３とピン穴３２３を係合させると、金属層側突起部３５１とヒートシンク側突起部３２１とが移動し難くなり、嵌合状態を維持することができるようになる。さらには、金属層側突起部３５１及びヒートシンク側突起部３２１を、容易かつ正確に、対応する隙間に嵌合させることができる。また、上述のように嵌合させるときに、係合凸部３５４と係合凹部３２４とを係合させることによって、金属層３５０とヒートシンク３２０とを移動し難くし、金属層側突起部３５１とヒートシンク側突起部３２１との嵌合状態をさらに強固に維持することができる。

【0057】

また、嵌合維持手段は、上述のように嵌合させた後にパワーモジュール用基板とヒートシンクとにネジによるネジ留めを行う構成とされても良い。また、ヒートシンク上において、パワーモジュール用基板を覆うように樹脂によるモールディングを行い、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する構成とされても良い。

【0058】

また、上記実施の形態では、金属層とヒートシンクとの間にグリースが設けられていない場合について説明したが、金属層とヒートシンクとの間にグリースを設けても良い。この場合には、さらに金属層とヒートシンクとの間の熱抵抗を低減することができる。さらには、金属層側突起部及びヒートシンク側突起部によってグリースが移動することが防止され、グリースが接合部から抜け難くすることが可能である。

【0059】

また、上記実施の形態では、金属層側突起部が金属層と同様の金属で構成されるものとして説明したが、異なる金属で構成されていても良い。ヒートシンク側突起部についても同様で、ヒートシンク側突起部が、ヒートシンクと異なる金属で構成されていても良い。

【0060】

また、上記実施の形態では、ヒートシンクの下方に放熱フィンが設けられる構成について説明したが、放熱フィンを設けずに、冷却器を接合する構成としても良い。さらには、冷却器の流路の内部に放熱フィンを設ける構成としても良い。ヒートシンクと冷却器を接合する際には、本実施形態で説明したような突起部を設けてそれらを接触させることにより伝熱する構成としても良い。また、ヒートシンクに放熱フィンを形成する場合において、ヒートシンクに予めフィンを設けておいても良いし、パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合した後にヒートシンクにフィンを設けても良い。

【0061】

また、上記実施の形態では、回路層と半導体素子をはんだで接合する場合について説明したが、Ａｇペーストを用いて接合しても良い。

【0062】

また、上記実施の形態では、回路層と絶縁層をろう付けにて接合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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板を絶縁層に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。

【0063】

また、上記実施の形態では、絶縁層としてＡｌＮを用いたが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。

【符号の説明】

【0064】

２ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
２０、１２０、２２０、３２０ ヒートシンク
２１、１２１、２２１、３２１ ヒートシンク側突起部
３０ 絶縁層
４０ 回路層
５０、１５０、２５０、３５０ 金属層
５１、１５１、２５１、３５１ 金属層側突起部
６０、１６０、２６０ 接合部
３２３ ピン穴
３５３ ピン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】