特許 6378247 積層体、パワーモジュールおよび積層体の製造方法

(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】6378247

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】積層体、パワーモジュールおよび積層体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20180813BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20180813BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20180813BHJP

   B32B 15/01 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 D

   H01L25/04 C

   B32B15/01 K

【請求項の数】6

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2016-93944(P2016-93944)

(22)【出願日】2016年5月9日

(65)【公開番号】特開2017-98520(P2017-98520A)

(43)【公開日】2017年6月1日

【審査請求日】2016年5月10日

(31)【優先権主張番号】特願2015-222098(P2015-222098)

(32)【優先日】2015年11月12日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】瀧本 優

(72)【発明者】

【氏名】山内 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】田中 怜

【審査官】 秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１８５６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３００４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３００６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３７３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 再公表特許第２０１５／０２９５１１（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２０６３３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｂ３２Ｂ １５／０１

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属または合金からなる基材と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記基材上に積層されてなる皮膜と、
を備え、前記皮膜の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基材と前記皮膜との界面が塑性変形していることを特徴とする積層体。

【請求項2】

前記皮膜を形成するニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末の粒径は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径の±６０％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の積層体。

【請求項3】

絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記金属層と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項4】

絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記冷却器と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項5】

絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層および前記冷却器の熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、前記緩衝層および前記冷却器の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記緩衝層の熱膨張率は、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記金属層と前記緩衝層との界面、および前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。

【請求項6】

アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の融点より低い温度に加熱されたガスとともに加速し、金属または合金からなる基材表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて、熱膨張率が９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上の皮膜を形成することを特徴とする積層体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層体、パワーモジュールおよび積層体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、絶縁層となるセラミックス基板の片面にアルミニウムまたは銅等の回路層が積層され、この回路層上に半導体チップ等が半田付けされるとともに、セラミックス基板の他面に形成されたアルミニウムまたは銅等からなる金属層に、低熱膨張で高熱伝導率のＡｌＳｉＣ系複合材料やＡｌＣ系複合材料により形成された緩衝層が接合され、該緩衝層を介してアルミニウム等から形成されたヒートシンクが接合されたパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。

【0003】

ＡｌＳｉＣ系複合材料からなる緩衝層とセラミックス基板の金属層またはヒートシンクとを接合する場合、グリースや伝熱シート等を使用して接合し、ＡｌＣ系複合材料からなる緩衝層とセラミックス基板の金属層またはヒートシンクとを接合する場合、半田等を使用して接合する。グリースや伝熱シートを使用して接合する場合、モジュールの熱抵抗を増大するという問題を有している。また、半田により接合する場合、高温で接合するため、セラミックス基板にかかる熱応力が大きくなるという問題がある。

【0004】

近年、材料粉末を高温、高速にして基材に吹き付けることにより、該材料粉末を基材に堆積・コーティングするコールドスプレー法によりパワーモジュールのヒートシンクとセラミックス基板との間の緩衝部材を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−１４８４５１号公報

【特許文献2】特開２０１０−９８０５９号公報

【特許文献3】特許第４６４５４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献３では、銅を金属材料粉末としてセラミックス粉末とともに使用して、酸素を含むガスを使用したコールドスプレー法により皮膜中のセラミックスの含有量が１０〜５０体積％となる皮膜を形成した場合、セラミックスを使用しない場合より、皮膜の熱膨張率を低減しつつ、熱伝導率が向上できることが確認されている。しかしながら、金属粉末としてアルミニウムを使用して皮膜を形成する場合、酸素ガスを使用すると粉塵爆発のおそれがある。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属または合金からなる基材表面に、アルミニウム等と所定の金属からなる皮膜がコールドスプレー法により形成された積層体において、低熱膨張率および高熱伝導率の皮膜を備えるとともに、基材と皮膜との密着性を向上しうる積層体およびパワーモジュール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】

【0008】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、金属または合金からなる基材と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記基材上に積層されてなる皮膜と、を備え、前記皮膜の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であるとともに、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であって、前記基材と前記皮膜との界面が塑性変形していることを特徴とする。

【0009】

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記皮膜の４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

【0010】

また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記金属層と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とする。

【0011】

また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／Ｋｍ・以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とする。

【0012】

また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層および前記冷却器の熱伝導率が２４Ｗ／Ｋｍ・以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、前記緩衝層および前記冷却器の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記緩衝層の熱膨張率は、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記金属層と前記緩衝層との界面、および前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とする。

【0013】

また、本発明にかかるパワーモジュールは、上記発明において、前記混合粉末を用いて形成される前記緩衝層および前記冷却器の４点曲げ強度は、２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

【0014】

また、本発明にかかる積層体の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の融点より低い温度に加熱されたガスとともに加速し、金属または合金からなる基材表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて、熱膨張率が９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下の皮膜を形成することを特徴とする。

【0015】

また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記皮膜の４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、アルミニウム等と所定の金属とからなる混合粉末を、不活性ガスを使用したコールドスプレー法によりセラミックス基板の金属層または緩衝層に吹き付けることにより、低熱膨張、かつ高熱伝導であるとともに、金属層および／または緩衝層との密着性に優れるパワーモジュールを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの構造を示す断面図である。

【図2】図２は、図１に示すパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。

【図3】図３は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。

【図4】図４は、ニッケルを添加材として用いた場合の混合紛体中のニッケル含有率と皮膜中のニッケル含有率との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、ニッケルを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図6】図６、はニッケルを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、ニッケルを添加材として用いた場合の混合紛体中のニッケルの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、チタンを添加材として用いた場合の混合紛体中のチタン含有率と皮膜中のチタン含有率との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、チタンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、チタンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、チタンを添加材として用いた場合の混合紛体中のチタンの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、クロムを添加材として用いた場合の混合紛体中のクロム含有率と皮膜中のクロム含有率との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、クロムを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図14】図１４は、クロムを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図15】図１５は、クロムを添加材として用いた場合の混合紛体中のクロムの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図16】図１６は、銅を添加材として用いた場合の混合紛体中の銅含有率と皮膜中の銅含有率との関係を示すグラフである。

【図17】図１７は、銅を添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図18】図１８は、銅を添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図19】図１９は、銅を添加材として用いた場合の混合紛体中の銅の体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図20】図２０は、タングステンを添加材として用いた場合の混合紛体中のタングステン含有率と皮膜中のタングステン含有率との関係を示すグラフである。

【図21】図２１は、タングステンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図22】図２２は、タングステンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図23】図２３は、タングステンを添加材として用いた場合の混合紛体中のタングステンの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図24】図２４は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）を添加材として用いた場合の混合紛体中のステンレス含有率と皮膜中のステンレス含有率との関係を示すグラフである。

【図25】図２５は、ステンレスを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図26】図２６は、ステンレスを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図27】図２７は、ステンレスを添加材として用いた場合の混合紛体中のステンレスの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図28】図２８は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：インバー＝２０：８０）である。

【図29】図２９は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：インバー＝５０：５０）である。

【図30】図３０は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：インバー＝８０：２０）である。

【図31】図３１はインバーを添加材として用いた場合の混合紛体中のインバー含有率と皮膜中のインバー含有率との関係を示すグラフである。

【図32】図３２はインバーを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図33】図３３はインバーを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図34】図３４はインバーを添加材として用いた場合の混合紛体中のインバーの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図35】図３５は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：モリブデン＝２０：８０）である。

【図36】図３６は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：モリブデン＝５０：５０）である。

【図37】図３７は、実験により得られた皮膜の表面を写したＳＥＭ画像（アルミニウム：モリブデン＝８０：２０）である。

【図38】図３８は、モリブデンを添加材として用いた場合の混合紛体中のモリブデン含有率と皮膜中のモリブデン含有率との関係を示すグラフである。

【図39】図３９は、モリブデンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの含有率と熱膨張率（ＣＴＥ）との関係を示すグラフである。

【図40】図４０は、モリブデンを添加材として用いた場合の皮膜中のアルミニウムの体積含有率と原料アルミニウム（Ａ１０５０）に対する熱伝導率比（導電率比）との関係を示すグラフである。

【図41】図４１は、モリブデンを添加材として用いた場合の混合紛体中のインバーの体積含有率と曲げ強度との関係を示すグラフである。

【図42】図４２は、本発明の実施の形態２にかかるパワーモジュールの構造を示す断面図である。

【図43】図４３は、本発明の実施の形態３にかかるパワーモジュールの構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。

【0019】

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１は、基板１０と、該基板１０と緩衝層１１を介して配設された冷却器（放熱器）１２とを備える。

【0020】

基板１０は、平板状をなす絶縁基材１３の一方の面に形成された回路層１４と、該回路層１４に半田１５を介して配設された半導体チップ１６と、絶縁基材１３の他方の面に形成された金属層１７とを有する。

【0021】

絶縁基材１３は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスといった絶縁性材料からなる略板状の部材である。

【0022】

回路層１４は、例えば銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなる金属層である。この回路層１４には、半導体チップ１６等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。

【0023】

半導体チップ１６は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体チップによって実現される。なお、半導体チップ１６は、使用の目的に合わせて回路層１４上に複数個設けられても良い。

【0024】

金属層１７は、例えば銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなり、半導体チップ１６及び回路層１４において発生した熱の緩衝層１１及び冷却器１２への伝熱、および緩衝層１１との接着を考慮して設けられている。

【0025】

緩衝層１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金に対し、タングステン、クロム、ニッケル、銅、チタン、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）、ステンレス、およびモリブデンからなる群から選択されるいずれかを添加した複合材からなり、基板１０の金属層１７側に、所謂コールドスプレー法により直接形成されている。なお、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）は一般にインバー（ＩＮＶＡＲ（登録商標））と呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）のことをインバーともいう。また、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）は一般にスーパーインバーと呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）のことをスーパーインバーともいう。

【0026】

緩衝層１１の熱膨張率は、絶縁基材１３および冷却器１２との熱膨張率の差に起因する熱応力の負荷を抑制するために、絶縁基材１３の熱膨張率より大きく、冷却器１２の熱膨張率より小さいことが好ましい。緩衝層１１の熱膨張率は、９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であり、絶縁基材１３および冷却器１２に使用する材料に応じて、アルミニウムまたはアルミニウム合金に添加する材料および添加量を適宜選択すればよい。

【0027】

一般に、比重やヤング率や粒径が互いに異なる材料粉末を混合してコールドスプレー法により皮膜を形成する場合、皮膜内の添加材の比率を制御するのは困難であるが、母材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する場合、混合紛体中の添加材含有率を制御することにより、皮膜中の添加材含有率を比較的容易に制御できることが本発明者らにより確認された。したがって、所望する熱膨張率および熱伝導率を有する緩衝層１１を設計および製造可能となる。また、本実施の形態１では、コールドスプレー法により緩衝層１１を形成するため、金属層１７に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突し、金属層１７と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じる。

【0028】

また、金属層１７に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突する際、金属層１７の表面、および材料粉末の表面の酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じる。界面での塑性変形によるアンカー効果により金属層１７と緩衝層１１との密着性が向上するとともに、新生面同士による金属結合により金属層１７と緩衝層１１との密着性および緩衝層１１内部の緻密性が向上し、パワーモジュール１の耐久性が向上する。さらに、本実施の形態１では、アルミニウムまたはアルミニウム合金に添加材を混合した混合粉末により緩衝層１１を形成することにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金単独で形成される皮膜に比べて、より緻密な皮膜とすることができる。

【0029】

緩衝層１１は、基板１０と反対側の面（図１においては下面）において、伝熱シート１８を介して冷却器１２と接着されている。冷却器１２は、アルミニウムやアルミニウム合金等の良好な熱伝導性を有する金属又は合金からなり、平板状をなす基部１２ａと、該基部１２ａの裏面（図１においては下面）に設けられた板状をなす複数の冷却部（冷却フィン）１２ｂとを有する。このような冷却器１２を介して、半導体チップ１６から発生した熱が絶縁基材１３を介して外部に放出される。

【0030】

緩衝層１１と冷却器１２との間は、伝熱シート１８により接着される。本実施の形態１では、金属層１７と緩衝層１１との間の接着に伝熱シートを使用しないため、パワーモジュール１の熱抵抗を低減することができる。なお、伝熱シート１８の代わりに、ゲル状のシート部材やグリースを用いて緩衝層１１と冷却器１２とを接着しても良い。

【0031】

次に、パワーモジュール１の製造方法について説明する。図２は、パワーモジュール１の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、基板１０を作製する。基板１０は、絶縁基材１３の一方の面に回路層１４を、他方の面に金属層１７をろう付法により形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層１４や金属層１７を形成しても良い。半導体チップ１６は半田１５等を用いて回路層１４上に実装される。

【0032】

続くステップＳ２において、緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製する。混合粉末は、所定の中心粒径をそれぞれ有するアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、添加材の粉末を用意し、予め設定された混合比率となるように両者を秤量して混合することにより調製する。粉末の混合方法は特に限定されず、本実施の形態１においては、乾式混合法（ドライブレンド法）によって混合する。

【0033】

アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径については、コールドスプレー法に適用可能な粒径（例えば５〜１００μｍ程度）であれば特に限定されない。一方、添加材の粉末の粒径は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径に対して±６０％の範囲内にすると良い。これは、コールドスプレー法を行った際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末のふるまいに対して添加材の粉末が同様にふるまうことが好ましいからである。そのため、例えば、中心粒径が約３５μｍのアルミニウムの粉末を用いる場合、添加材の粉末の中心粒径を１４〜５６μｍ程度にすると良い。粉末の調製方法については、後で詳しく説明する。

【0034】

続くステップＳ３において、コールドスプレー法により、ステップＳ１において作製した基板１０の金属層１７側に緩衝層１１を形成する。図３は、コールドスプレー装置の構成例を示す模式図である。図３に示すコールドスプレー装置１００は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器１０１と、皮膜の材料の粉末を収容してスプレーガン１０３に供給する粉末供給装置１０２と、スプレーガン１０３に供給された材料の粉末を、加熱された圧縮ガスと共に基材１１０に向けて噴射するガスノズル１０４と、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ１０５及び１０６とを備える。

【0035】

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器１０１に供給された圧縮ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン１０３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、１００℃以上アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下であり、３００℃以上６００℃以下が好ましい。

【0036】

一方、粉末供給装置１０２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置１０２内の材料粉末をスプレーガン１０３に所定の吐出量となるように供給する。

【0037】

加熱された圧縮ガスは、末広形状をなすガスノズル１０４を通過することにより超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）となって噴射される。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１１０に対する皮膜１１１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。

【0038】

このようなコールドスプレー装置１００において、基材１１０として、基板１０の金属層１７側をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、ステップＳ２において調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入し、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２への圧縮ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン１０３に供給された混合粉末が、この圧縮ガスの超音速流の中に投入されて加速され、スプレーガン１０３から噴射される。この混合粉末が、固相状態のまま基材１１０（金属層１７）に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１１１が形成される。そして、この皮膜１１１を所望の厚さとなるまで堆積させることで、緩衝層１１が形成される。

【0039】

なお、コールドスプレー法による成膜装置としては、材料の粉末を基材１１０に向けて固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図３に示すコールドスプレー装置１００の構成に限定されるものではない。

【0040】

続くステップＳ４において、伝熱シート１８を介して、ステップＳ３において形成した緩衝層１１に冷却器１２を貼り付ける。それにより、図１に示すパワーモジュール１が完成する。

【0041】

次に、ステップＳ２における混合粉末の調製方法を詳しく説明する。
本願発明者は、緩衝層１１として好適な高熱伝導率及び低熱膨張率を有し、且つ、容易に作製することができる複合材を探索するため、銅に対して種々の材料を添加した混合粉末を用いてコールドスプレー法により皮膜を形成する実験を実施した。表１は、母材であるアルミニウム（Ａ１０５０）及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。併せて、表１の右端に、基材（図１に示す絶縁基材１３）として用いる窒化ケイ素の特性を示す。

【0042】

【表1】

【0043】

具体的には、以下の実験（１）〜（４）を行った。
実験（１）：アルミニウムの粉末と添加材の粉末との混合比率を種々の比率で混合し、コールドスプレー法により、５０ｍｍ角×３ｍｍ厚のアルミニウム基材（Ａ１０５０）上に１０ｍｍの皮膜を形成した。アルミニウムの粉末としては、ガスアトマイズ法で作製した中心粒径３５μｍの粉末を用い、乾式混合法により添加材の粉末と混合した。アルミニウムの粉末と添加材の粉末との混合比率は、アルミニウム：添加材＝２０：８０、５０：５０、及び８０：２０の３種類とした。また、コールドスプレー条件としては、圧縮ガスの温度を４５０℃とし、ガス圧力を５ＭＰａとした。

【0044】

そして、形成した皮膜中における添加材の体積含有率を測定し、混合粉末における添加材の体積含有率と、皮膜中における添加材の体積含有率との相関を求めた。皮膜における添加材の体積含有率は、皮膜表面のＳＥＭ画像に対して画像解析を行い、アルミニウムの領域の面積と添加材の領域の面積とを比較することにより算出した。

【0045】

実験（２）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から５ｍｍ角×１５ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、皮膜の堆積方向と直交する方向における熱膨張率を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と熱膨張率との相関を求めた。

【0046】

実験（３）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×４０ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、四端子法により導電率を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と導電率との相関を求めた。

【0047】

実験（４）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×４０ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、皮膜の堆積方向と直交する方向における４点曲げ強度を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と曲げ強度との相関を求めた。

【0048】

また、図４〜図７は、添加材として中心粒径が２１μｍのニッケル粉末を使用した場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。図４の横軸は、成膜前の混合粉末におけるニッケルの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、成膜後の皮膜におけるニッケルの体積含有率［vol％］を示す。

【0049】

また、図５の横軸は、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、皮膜の熱膨張率（ＣＴＥ）［×１０^-6／Ｋ］を示す。図５には併せて、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の理論値（Ｔｕｒｎｅｒ則、線形則）も表示している。ターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）則は、次式（１）、線形則は次式（２）によって示される。
α_c＝（ｖ_mＥ_mα_m＋ｖ_aＥ_aα_a）／（ｖ_mＥ_m＋ｖ_aＥ_a） …（１）
α_c＝（ｖ_mＥ_m＋ｖ_aＥ） …（２）

【0050】

式（１）および（２）における各符号は、以下の値を示す。
α_c：複合材における熱膨張率
ｖ_m：母材（アルミニウム）の体積含有率
Ｅ_m：母材のヤング率（アルミニウムの場合、Ｅ_m＝７０ＧＰａ）
α_m：母材の熱膨張率（アルミニウムの場合、α_m＝２３×１０^-6／Ｋ）
ｖ_a：添加材の体積含有率
Ｅ_a：添加材のヤング率
α_a：添加材の熱膨張率
ニッケルの場合、添加材のヤング率Ｅ_aは２００ＧＰａであり、添加材の熱膨張率α_aは１３．４×１０^-6／Ｋである。

【0051】

また、図６の横軸は、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、アルミニウム（Ａ１０５０）に対する導電率比［％］を示す。ここで、アルミニウムに対する導電率比は、アルミニウムに対する熱伝導率比に対応するため、以下においては、導電率比により熱伝導率比を評価する。図６には併せて、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比の理論値も表示している。この理論値は、次式（３）により算出されたものである。

【0052】

【数1】

【0053】

式（３）における各符号は、以下の値を示す。
１−Φ：皮膜における添加材の体積含有率
λ_c：皮膜における熱伝導率
λ_m：母材（アルミニウム）の熱伝導率（アルミニウムの場合、λ_m＝２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）
λ_a：添加材の熱伝導率
ニッケルの場合、添加材の熱伝導率λ_aは９０．９Ｗ／ｍ・Ｋである。

【0054】

また、図７の横軸は、混合粉末中のニッケルの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、曲げ強度［ＭＰａ］を示す。

【0055】

図４に示すように、中心粒径が２１μｍのニッケルの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるニッケルの体積含有率は、皮膜におけるニッケルの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとニッケルとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとニッケルとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0056】

図５に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御できることがわかる。

【0057】

図６に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、アルミニウムの体積含有率が高くなると熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比に一定の関係が見られることから、アルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、皮膜の熱伝導率を制御することが可能である。

【0058】

図７に示すように、ニッケルの体積含有率に対する曲げ強度は、ニッケルの体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0059】

図８〜図１１は、中心粒径が約３５μｍのチタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図９に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを１０６ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを８．６×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図１０に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを２１．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0060】

図８に示すように、中心粒径が３５μｍのチタンの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるチタンの体積含有率は、皮膜におけるチタンの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとチタンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとチタンとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0061】

また、図９に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0062】

さらに、図１０に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。

【0063】

また、図１１に示すように、チタンの体積含有率に対する曲げ強度は、チタンの体積含有率の増加により、概ね直線的に減少することがわかった。しかしながら、チタンを含まない皮膜（アルミニウムの体積含有率が１００％）の曲げ強度が１９２．６ＭＰａであるのに対し、皮膜中に２５〜７２体積％のチタンを含む皮膜の曲げ強度は２００ＭＰａ以上であり、チタンを配合することにより、曲げ強度を向上でき、かつ、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかった。

【0064】

図１２〜図１５は、中心粒径が約３５μｍのクロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図１３に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを２７９ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを４．９×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図１４に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを９３．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0065】

図１２に示すように、中心粒径が３５μｍのクロムの粉末を添加材として用いた場合、混合粉末におけるクロムの体積含有率に対し、皮膜においてはクロムの体積含有率が低くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、クロムの粉末が皮膜に入り込み難いため、クロムの体積含有率を多く（例えば５０％以上）することが困難であることを示している。しかしながら、混合粉末におけるクロムの体積含有率に対し、皮膜におけるクロムの体積含有率に一定の関係が見られることから、粉末の状態におけるアルミニウムとクロムとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとクロムとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0066】

また、図１３に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能である。

【0067】

さらに、図１４に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。

【0068】

また、図１５に示すように、クロムの体積含有率に対する曲げ強度は、クロムの体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0069】

図１６〜図１９は、中心粒径が約３９μｍの銅（Ｃｕ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図１７に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを１２０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを１６．６×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図１８に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを３９７Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0070】

図１６に示すように、中心粒径が３９μｍの銅の粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末における銅の体積含有率は、皮膜における銅の体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムと銅との混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムと銅との比率を精度良く制御できることがわかる。

【0071】

また、図１７に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0072】

さらに、図１８に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。

【0073】

また、図１９に示すように、銅の体積含有率に対する曲げ強度は、銅の体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0074】

図２０〜図２３は、中心粒径が約３５μｍのタングステン（Ｗ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図２１に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを４００ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを４．５×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図２２に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを１７４Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0075】

図２０に示すように、中心粒径が３５μｍのタングステンの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるタングステンの体積含有率は、皮膜におけるタングステンの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとタングステンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとタングステンとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0076】

また、図２１に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0077】

さらに、図２２に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。そこで、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比を実測したところ、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比に一定の関係が見られることが確認できた。したがって、アルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比を制御することが可能である。

【0078】

また、図２３に示すように、タングステンの体積含有率に対する曲げ強度は、タングステンの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0079】

図２４〜図２７は、中心粒径が約３０μｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図２５に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを１９９ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを１７．３×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図２６に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを１６．７Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0080】

図２４に示すように、中心粒径が３０μｍのステンレスの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるステンレスの体積含有率は、皮膜におけるステンレスの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとステンレスとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとステンレスとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0081】

また、図２５に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0082】

さらに、図２６に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値に沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。

【0083】

また、図２７に示すように、ステンレスの体積含有率に対する曲げ強度は、ステンレスの体積含有率の増減にかかわらず、概ね一定値となることがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0084】

また、図２８〜図３０は、添加材として中心粒径が３５μｍのインバー粉末を使用した場合の実験（１）によりえられた皮膜の表面を映したＳＥＭ写真である。図２８は、混合粉末におけるアルミニウムとインバーとの混合比率（アルミニウム：インバー）が２０：８０）、図２９は、５０：５０、図３０は、８０：２０の場合をそれぞれ示している。

【0085】

図３１〜図３４は、中心粒径が約３５μｍのインバーの粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図３２に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを１４２ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを１．２×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図３３に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを１３．４Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0086】

図３１に示すように、中心粒径が３５μｍのインバーの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるインバーの体積含有率は、皮膜におけるインバーの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとインバーとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとインバーとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0087】

また、図３２に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0088】

さらに、図３３に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、
熱伝導率比の理論値に沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより熱伝導率を制御することが可能であるといえる。

【0089】

また、図３４に示すように、インバーの体積含有率に対する曲げ強度は、インバーの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0090】

また、図３５〜図３７は、添加材として中心粒径が２５μｍのモリブデン粉末を使用した場合の実験（１）によりえられた皮膜の表面を映したＳＥＭ写真である。図３５は、混合粉末におけるアルミニウムとモリブデンとの混合比率（アルミニウム：モリブデン）が２０：８０）、図３６は、５０：５０、図３７は、８０：２０の場合をそれぞれ示している。

【0091】

図３８〜図４１は、中心粒径が約２５μｍおよび５７μｍのモリブデンの粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである（図４１は中心粒径が約２５μｍのみ）。このうち、図３８に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅ_aを３３０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率α_aを４．８×１０^-6／Ｋとして算出したものである。また、図３９に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λ_aを１３８Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。

【0092】

図３８に示すように、中心粒径が２５μｍ、５７μｍのモリブデンの粉末を添加材として用いた場合、混合粉末におけるモリブデンの体積含有率に対し、皮膜においてはモリブデンの体積含有率が低くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、モリブデンの粉末が皮膜に入り込み難いため、モリブデンの体積含有率を多く（例えば８０％以上）することが困難であることを示している。しかしながら、混合粉末におけるモリブデンの体積含有率に対し、皮膜におけるモリブデンの体積含有率に一定の関係が見られることから、粉末の状態におけるアルミニウムとモリブデンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとモリブデンとの比率を精度良く制御できることがわかる。

【0093】

また、図３９に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値（線形則）に沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。

【0094】

さらに、図４０に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、アルミニウムの体積含有量が高くなると熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比に一定の関係が見られることから、アルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより、皮膜の熱伝導率を制御することが可能である。

【0095】

また、図４１に示すように、モリブデンの体積含有率に対する曲げ強度は、モリブデンの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。

【0096】

以上説明したように、本実施の形態１によれば、コールドスプレー法を用いることにより、緩衝層１１を基板１０（金属層１７）上に直接形成することができる。そのため、絶縁基材１３と冷却器１２との間における熱応力を緩和することができる。また、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を１層省くことができる。従って、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。さらに、金属層１７と緩衝層１１との界面での塑性変形によるアンカー効果で金属層１７と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。

【0097】

また、本実施の形態１によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金およびモリブデンからなる群から選択される粉末との混合粉末をコールドスプレー法の材料粉末に適用するので、粉末の混合比率を調節することで、所望の組成比を有する皮膜、言い換えると、所望の熱膨張率や熱伝導率を有する皮膜を容易に形成することができる。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金と添加材との粉末の混合比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率や熱伝導率を容易に制御することができる。従って、パワーモジュール１における緩衝層１１のように、低熱膨張且つ高熱伝導といった要求される特性等に応じた皮膜を容易に実現することができる。また、このような皮膜の組成や特性の制御を、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ複合材等よりも容易且つ安価に行うことができる。

【0098】

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４２は、本実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図４２に示すパワーモジュール１Ａは、図１に示すパワーモジュール１に対し、緩衝層１１が冷却器１２の表面（図１においては上面）に直接形成されていると共に、伝熱シート１８を介して緩衝層１１が基板１０の金属層１７側に接着されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。

【0099】

実施の形態２にかかるパワーモジュール１Ａは、実施の形態１のステップＳ１およびステップＳ２と同様にして、基板１０および緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製する。その後、コールドスプレー法により、冷却器１２に緩衝層１１を形成する。即ち、図３に例示するコールドスプレー装置１００において、基材１１０として冷却器１２の基部１２ａの表面（図４２においては上面）をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入して、皮膜１１１を形成する。冷却器１２に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突し、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じる。この界面での塑性変形によるアンカー効果により冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上する。コールドスプレー法により形成された緩衝層１１は、伝熱シート１８を介して基板１０に貼り付けられる。これにより、図４２に示すパワーモジュール１Ａが完成する。

【0100】

本実施の形態２によれば、冷却器１２側に直接緩衝層１１を形成する場合においても、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を１層省くことができるので、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。また、コールドスプレー法により冷却器１２上に緩衝層１１を形成するため、冷却器１２に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突して、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じ、この界面での塑性変形によるアンカー効果で冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。

【0101】

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図４３は、本実施の形態３に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図４３に示すパワーモジュール１Ｂは、図１に示すパワーモジュール１に対し、冷却器１２がコールドスプレー法により緩衝層１１に直接形成されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。

【0102】

実施の形態３にかかるパワーモジュール１Ｂは、実施の形態１のステップＳ１〜ステップＳ３と同様にして、基板１０および緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製し、コールドスプレー法により、金属層１７に緩衝層１１を形成した後、緩衝層１１に冷却器１２をコールドスプレー法により形成する。冷却部１２ｂは、マスクを用いてコールドスプレー法によりフィン形状としてもよく、あるいは、基部１２ａと同様にしてコールドスプレー法により平板状とした後、切削によりフィン形状を形成してもよい。

【0103】

実施の形態３にかかる緩衝層１１および冷却器１２の熱膨張率は、９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下である。緩衝層１１および冷却器１２を構成する添加材は同一のものでも異なるものでもよいが、緩衝層１１の熱膨張率が、基板１０の熱膨張率より大きく、かつ冷却器１２の熱膨張率より小さくなるように、添加材の種類、または添加材の配合量を選択することが好ましい。また、緩衝層１１および冷却器１２の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下である。

【0104】

本実施の形態３によれば、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を使用しないため、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。また、コールドスプレー法により緩衝層１１および冷却器１２を形成するため、金属層１７と緩衝層１１との界面、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じ、この界面での塑性変形によるアンカー効果で金属層１７と緩衝層１１、および冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。

【符号の説明】

【0105】

１、１Ａ、１Ｂ パワーモジュール
１０ 基板
１１ 緩衝層
１２ 冷却器
１２ａ 基部
１２ｂ 冷却部
１３ 絶縁基材
１４ 回路層
１５ 半田
１６ 半導体チップ
１７ 金属層
１８ 伝熱シート
１００ コールドスプレー装置
１０１ ガス加熱器
１０２ 粉末供給装置
１０３ スプレーガン
１０４ ガスノズル
１０５、１０６ バルブ
１１０ 基材
１１１ 皮膜

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】