特許 7027094 放熱部品付きパワーモジュール

(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】

(24)【登録日】2022-02-18

(45)【発行日】2022-03-01

(54)【発明の名称】放熱部品付きパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20220221BHJP

   H01L 23/373 20060101ALI20220221BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20220221BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20220221BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L23/36 M

H01L25/04 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2017188479

(22)【出願日】2017-09-28

(65)【公開番号】P2019067801

(43)【公開日】2019-04-25

【審査請求日】2020-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003296

【氏名又は名称】デンカ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100185591

【弁理士】

【氏名又は名称】中塚 岳

(74)【代理人】

【識別番号】100190931

【弁理士】

【氏名又は名称】熊谷 祥平

(72)【発明者】

【氏名】広津留 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】市川 恒希

(72)【発明者】

【氏名】酒井 篤士

(72)【発明者】

【氏名】谷口 佳孝

【審査官】綿引 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２３９１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５８９９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１１８６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９８５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０８４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０４２０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１７０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４７８０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／０２ － ２３／５０

Ｈ０１Ｌ ２５／０４ － ２５／０７５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース板と、前記ベース板上に接合されたセラミックス絶縁基板と、前記セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの前記ベース板側に放熱シートを介して取り付けられた放熱部品と、を備え、
前記放熱シートが、カーボンナノチューブ及びゴムを含み、
前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面の平面度が２０μｍ以下である、放熱部品付きパワーモジュール。

【請求項2】

前記セラミックス絶縁基板が、セラミックス基材と前記セラミックス基材の両面のそれぞれに設けられた少なくとも一層の金属層とを有し、
前記セラミックス基材が、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３で形成されており、
前記金属層が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏを含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されている、請求項１に記載の放熱部品付きパワーモジュール。

【請求項3】

前記セラミックス絶縁基板の線熱膨張係数が５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋである、請求項１又は２に記載の放熱部品付きパワーモジュール。

【請求項4】

前記ベース板が、Ａｌ又はＭｇを含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板からなり、
前記ベース板の線熱膨張係数が５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋであり、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫである、請求項１～３のいずれか一項に記載の放熱部品付きパワーモジュール。

【請求項5】

前記半導体素子が、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の放熱部品付きパワーモジュール。

【請求項6】

電車又は自動車の駆動インバータとして用いられる、請求項１～５のいずれか一項に記載の放熱部品付きパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を備える放熱部品付きパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

電鉄用、発電用、電気自動車／ハイブリッド自動車用モーター等の高出力モーターを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールが使用される。パワーモジュールとしては、Ｓｉ等の半導体素子とＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス絶縁基板と、熱伝導性に優れる、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ－ＳｉＣベース板等とが半田付けされ、配線、電極、樹脂ケースを取り付けた後、シリコーンゲル等で充填される構造を有するものが主流である（特許文献１）。

【0003】

通常、パワーモジュールは、ヒートシンク等の放熱部品に放熱グリース等を介してネジ止めされて使用される。高出力用途のパワーモジュールにおいては、半導体素子からの発熱量が多く、如何に効率的に放熱するかが重要な課題であり、放熱が十分でない場合には、半導体素子温度が許容温度を超え、誤作動等を発生することがある。特に、パワーモジュール全体の熱抵抗に占める放熱グリース部分の熱抵抗の割合が大きく、この部分の熱抵抗を如何に下げるかが重要である。

【0004】

セラミックス絶縁基板は、セラミックス材料の影響で、セラミックス絶縁基板自体が線熱膨張係数の比較的小さい部品であり、線熱膨張係数の比較的大きいＣｕ等の金属ベース板に半田付けした場合、ベース板の放熱面の形状が凹状の反りになったり、放熱面に凹みが発生したりすることがある。このため、このような用途のベース板として、熱伝導性が高く、接合されるセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数を有する、アルミニウム又はアルミニウム合金と炭化珪素とからなる複合体が用いられている（特許文献２）。

【0005】

上記の用途で、平坦なベース板を用いる場合、ベース板とセラミックス絶縁基板との熱膨張係数の違いから、両者の接合時に発生する応力やその後の樹脂封止等によるパッケージ化の際に発生する応力のため、放熱部品等と密着させる側のベース板面が凹状に反ってしまい、放熱フィンをベース板に固定する際、十分な密着性が得られない。この問題を解決する手段として、放熱フィン等と接合させるベース板の板面を予め凸型に反らせておく反り付け加工の技術が知られている（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平１０－８４０７７号公報

【文献】特開平３－５０９８６０号公報

【文献】特開平１１－３３０３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

セラミックス絶縁基板の構成は、パワーモジュールの用途や出力、耐圧により選定され、この結果、セラミックス絶縁基板の線熱膨張係数は基板の構成により異なる。また、パッケージ化する過程で接合に用いる半田の種類などが異なることにより、パワーモジュールの放熱面の形状が異なり、目的とする放熱フィン等の放熱部品と密着させる側の面の反りや平面度が適切でなく、放熱フィン等の放熱部品を取り付けた際の空隙、いわゆるエアギャップが生じ、放熱部品付きパワーモジュールの放熱性が低下することが問題となる。

【0008】

加えて、放熱部品付きパワーモジュールは通常、パワーモジュールと放熱部品とを、放熱グリース等を介してネジ止めされて使用されるが、放熱グリースの熱伝導率は極端に低く、放熱部品付きパワーモジュール全体の熱抵抗に占める放熱グリース部分の熱抵抗の割合が大きいため、この部分の熱抵抗を如何に下げるかが重要である。

【0009】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、放熱部品及びパワーモジュールの密着性が良好であり、且つ、良好な放熱性を有する放熱部品付きパワーモジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、一態様において、ベース板と、ベース板上に接合されたセラミックス絶縁基板と、セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールと、パワーモジュールのベース板側に放熱シートを介して取り付けられた放熱部品と、を備え、ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面の平面度が２０μｍ以下である、放熱部品付きパワーモジュールである。

【0011】

放熱シートは、カーボンナノチューブ及びゴムを含んでいてよい。

【0012】

セラミックス絶縁基板は、セラミックス基材とセラミックス基材の両面のそれぞれに設けられた少なくとも一層の金属層とを有していてよく、その際、セラミックス基材が、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３で形成されていてよく、金属層が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏを含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されていてよい。

【0013】

セラミックス絶縁基板の線熱膨張係数は５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋであってよい。

【0014】

ベース板は、Ａｌ又はＭｇを含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板からなり、ベース板の線熱膨張係数は５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋであり、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫであってよい。

【0015】

半導体素子は、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されていてよい。

【0016】

上記の放熱部品付きパワーモジュールは、電車又は自動車の駆動インバータとして用いられてよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明は、放熱部品及びパワーモジュールの密着性が良好であり、且つ、良好な放熱性を有する放熱部品付きパワーモジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。

【図2】放熱部品付きパワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。

【図3】実施例で用いたセラミックス絶縁基板を示す断面図であり、（ａ）は３層構造（金属層１層タイプ）、（ｂ）は５層構造（金属層２層タイプ）のセラミックス絶縁基板を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは自明である。

【0020】

図１は、パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、パワーモジュール１は、ベース板２と、ベース板２上に第１の半田３を介して接合されたセラミックス絶縁基板４と、セラミックス絶縁基板４上に第２の半田５を介して接合された半導体素子６とを備えている。

【0021】

セラミックス絶縁基板４は、セラミックス基材７と、セラミックス基材７の一方の面に設けられた第１の金属層８と、セラミックス基材７の他方の面に設けられた第２の金属層９とを備えている。すなわち、セラミックス基材７の両面には、それぞれ金属層８，９が設けられている。少なくとも第２の金属層９は、電気回路（金属回路）を形成している。第１の金属層８は、電気回路（金属回路）を形成していてもよく形成していなくてもよい。ベース板２は、第１の半田３を介して第１の金属層８に接合されている。半導体素子６は、第２の半田５を介して第２の金属層９の所定の部分に接合されていると共に、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ１０で第２の金属層９の所定の部分に接続されている。

【0022】

ベース板２上に設けられた上記の各構成要素は、例えば一面が開口した中空箱状の樹脂製の筐体１１で蓋され、筐体１１内に収容されている。ベース板２と筐体１１との間の中空部分には、シリコーンゲル等の充填剤１２が充填されている。第２の金属層９の所定部分には、筐体１１の外部と電気的な接続が可能なように、筐体１１を貫通する電極１３が第３の半田１４を介して接合されている。

【0023】

ベース板２の形状は、例えば、大きさ９０～１４０ｍｍ×１２０～２００ｍｍ、厚み３～６ｍｍの略長方形板状である。ベース板２の縁部には、パワーモジュール１に例えば放熱部品を取り付ける際のネジ止め用の取付け穴２ａが形成されている。取付け穴２ａの数は、例えば４個以上である。ベース板２の縁部には、取付け穴２ａに代えて、ベース板２の側壁が断面Ｕ字状となるような取付け溝が形成されていてもよい。

【0024】

ここで、パワーモジュール１に放熱部品を取り付ける場合について説明する。図２は、放熱部品が取り付けられたパワーモジュール（便宜的に「放熱部品付きパワーモジュール」ともいう）の一実施形態を示す断面図である。図２に示すように、放熱部品付きパワーモジュール２１は、上述したパワーモジュール１と、パワーモジュール１のベース板２側に取り付けられた放熱フィン等の放熱部品２２とを備えている。放熱部品２２は、ベース板２に形成された取付け穴２ａに挿入されたネジ（ボルト）２３によってパワーモジュール１（ベース板２）にネジ止めされている。放熱部品２２のパワーモジュール１側の面は、略平面状になっている。

【0025】

パワーモジュール１のベース板２と放熱部品２２との間には、両者の密着性を確保するために、シート状の放熱材（放熱シート）２４が配置されている。通常、パワーモジュールのベース板と放熱部品との間には、グリース（放熱グリース）が用いられるが、放熱グリースの熱伝導率は、１～２Ｗ／ｍＫ程度であり、放熱部品付きパワーモジュールの構成部材の中で最も大きな熱抵抗となる。つまり、パワーモジュールの放熱性を高めるには、当該熱抵抗をできる限り小さくすることが重要である。

【0026】

グリースを用いた場合に熱抵抗をできる限り小さくする方法として、上記放熱グリースの層の厚みを薄くすることが考えられる。ところが、放熱グリースの層の厚みを極端に薄くすると、パワーモジュールの稼働時の熱負荷による変形等に放熱グリースが追随できず、パワーモジュールと放熱部品との間に空気層が発生する場合があり、その結果、パワーモジュールの放熱特性が極端に悪化し、半導体素子の破損等に繋がることがある。本発明では、グリースの代わりに放熱シート２４（特に、密着性に優れる放熱シート２４）を用いることで、放熱部品付きパワーモジュールの放熱性を大幅に改善することができる。

【0027】

放熱部品付きパワーモジュールの放熱性をより効果的に改善する観点から、放熱シート２４は、厚みが０．０５～０．２０ｍｍであり、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上であってよく、好ましくは、厚みが０．０７～０．１５ｍｍであり、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上である。放熱シート２４の厚みが０．０５ｍｍ以上であれば、放熱シート２４の変形がパワーモジュール１の稼働時の熱負荷による変形等に十分に追随することができるため、結果としてパワーモジュール１と放熱部品２２との間の空気層の発生を抑制することができ、パワーモジュール１の放熱特性の悪化、半導体素子６の破損などを抑えることができる。一方、放熱シート２４の厚みが０．２０ｍｍ以下であれば、熱抵抗を十分に抑えることができる。

【0028】

放熱シート２４は、より高水準で熱抵抗を抑えつつ密着性を確保するための柔軟性を確保する観点から、カーボンナノチューブ及びゴムを含んでいてもよい。すなわち、放熱シート２４は、カーボンナノチューブ及びゴムを含む組成物（カーボンナノチューブを含むゴム組成物）から得られるものであってよい。カーボンナノチューブとしては、価格面からはマルチウォールのカーボンナノチューブが有用であるが、特性面からはシングルウォールのカーボンナノチューブが有用である。カーボンナノチューブの含有量は、放熱シート全量基準で２～１５質量％であってよく、３～８質量％であってよい。カーボンナノチューブの含有量が２質量％以上であれば熱伝導率を十分に確保することができ、１５質量％以下であれば上記組成物が硬くなりすぎず密着性を十分に確保することができる。

【0029】

一方、ベースとなるゴムは、架橋していても、架橋していなくてもよい。具体的には、天然ゴム、スチレン－ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン－プロピレン－ジエンモノマーゴム、クロロプレン、アクリルゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどのほか、スチレン系やオレフィン系などの熱可塑性エラストマーを用いることもできる。さらに、必要に応じ、可塑剤や、充填剤などを配合してもよい。ゴムの含有量は、放熱シート全量基準で５０～９５質量％であってよい。ゴムの含有量が５０質量％以上であれば、放熱シートとしての柔軟性を確保することができる。

【0030】

放熱シート２４を用いた場合であっても、放熱部品付きパワーモジュール２１におけるパワーモジュール１と放熱部品２２との密着性を十分に確保すべく、ベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの形状を制御することにより、放熱性に優れる放熱部品付きパワーモジュール２１を提供することができる。

【0031】

具体的には、パワーモジュール１と放熱フィン等の放熱部品２２とをネジ止めした際に、パワーモジュール１の放熱面の平面度が小さいことが好ましい。この平面度が大きいと、放熱シート２４とパワーモジュール１又は放熱部品２２との間に空気層が発生し、十分な放熱特性が得られない。このため、放熱部品付きパワーモジュール２１においては、ベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの平面度は、２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。当該平面度が２０μｍ以下であると、上述したとおり、高熱伝導な放熱シート２４が、パワーモジュール１と放熱部品２２との間を十分に密着させることができ、十分な放熱特性が得られる。

【0032】

なお、上記の平面度は、ＪＩＳ Ｂ０６２１に準拠して測定された平面度を意味する。より具体的には、当該平面度は、放熱部品２２を模擬した樹脂部材に穴を開けてベース板２に取り付けて測定サンプルを作製し、当該穴より接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出するか、あるいは、透明な放熱部品２２を模擬した透明な樹脂部材をベース板２に取り付けて測定サンプルを作製し、非接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出することができる。これらの場合において、取り付けられる樹脂部材としては、ベース板２側の面の平面度が０～５μｍであるものを用いることとし、平面度は、樹脂部材を少なくとも４個のネジ（ボルト）を用いてトルク１０Ｎでベース板２にネジ止めした状態で測定するものとする。

【0033】

ベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの平面度が上記の範囲内とするために、パワーモジュール１においては、図１に示すように、ベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面２ｂが、放熱部品２２又は上記樹脂部材が取り付けられていない状態で、凸状（凸型）の反り２ｃを有している。ベース板２の放熱面２ｂが凸状の反り２ｃを有していることにより、放熱部品２２等にネジ止めした際に、ベース板２の中央部にも十分に応力が加わるようになる。ベース板２の放熱面２ｂの反り２ｃの大きさ（反り量）は、ベース板２の任意の位置における放熱面２ｂ方向の長さＬ＝１０ｃｍあたりの反りの大きさＷとして、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。反り量が５０μｍ以下であると、パワーモジュール１を放熱部品２２等にネジ止めした際の変形量が大きくなりすぎることを抑制し、セラミックス絶縁基板４のセラミックス基材７が破損する等の問題を生じにくくさせる。

【0034】

パワーモジュール１におけるベース板２の放熱面２ｂの形状（反り量）は、主に、ベース板２自体の初期形状（反り量）、及び、ベース板２にセラミックス絶縁基板４を第１の半田３で接合した際の変形量（反り変化量）により決まる（なお、厳密には、筐体１１をベース板２に接着した際の応力によっても若干の影響を受ける）。

【0035】

ベース板２自体の初期形状に関して、ベース板２のセラミックス絶縁基板４接合前の反り量は、ベース板２の放熱面２ｂ方向の長さ１０ｃｍあたりの反りの大きさとして、好ましくは３０～１００μｍ、より好ましくは３０～５０μｍである。

【0036】

以上のような反りに関する特性を得るために、ベース板２の放熱面２ｂは、平板上に形成した後、機械加工又は研削加工、あるいは所望する形状の型を用いた加工により成形されていてもよい。さらには、パワーモジュール１を作製した後、ベース板２の放熱面２ｂを機械加工又は研削加工により成形されていてもよい。

【0037】

ここで、ベース板２にセラミックス絶縁基板４を接合した際の変形は、接合温度（第１の半田３が固化した温度）から室温に戻る際に、ベース板２及びセラミックス絶縁基板４の熱膨張差により発生する応力及びセラミックス絶縁基板４における金属層８，９の残留応力によって生じる。この際の変形量（反り変化量）を抑えるためには、一般に線熱膨張係数の小さいセラミックス絶縁基板４と、それに近い線熱膨張係数を有するベース板２とを使用することが有効である。

【0038】

このようなセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数（低線熱膨張係数）を有するベース板２は、好ましくは、Ａｌ又はＭｇを主成分として（例えば８５質量％以上）含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金（Ｃｕ／Ｍｏ，Ｃｕ／Ｗ合金）、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板（Ｃｕ／Ｍｏ，Ｃｕ／Ｗ多層金属板）からなっている。

【0039】

このようなベース板２の温度１５０℃から２５℃の降温時の線熱膨張係数は、セラミックス絶縁基板４との接合時の変形抑制の点から、好ましくは５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋ、より好ましくは５×１０^－６～８×１０^－６／Ｋである。なお、第１の半田３による接合後の冷却過程におけるベース板２とセラミックス絶縁基板４との熱膨張の違いが重要であるため、線熱膨張係数としては、温度１５０℃から２５℃の降温時の値を用いる。線熱膨張係数は、熱膨張計（例えば、セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）により、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準拠して、降温速度が５℃／分以下の条件で測定された線熱膨張係数を意味する。

【0040】

ベース板２の熱伝導率は、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上である。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法（例えば、理学電気社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂを使用）により、ＪＩＳ Ｒ１６１１に準拠して測定された熱伝導率を意味する。

【0041】

ベース板２の平面度は、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下である。ベース板２の平面度は、ＪＩＳ Ｂ０６２１に準拠して測定された平面度を意味する。

【0042】

セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、セラミックス基材７と金属層８，９の構成及び物性値に加え、セラミックス基材７に金属層８，９を接合する温度から室温に戻る際に、セラミックス基材７に金属層８，９の熱膨張の違いにより発生する残留応力によって決まる。このため、例えば、同一構成のセラミックス絶縁基板４であっても、接合方法により、金属層８，９の残留応力が異なる。一般に、金属層８，９は、温度８００℃程度の高温で活性金属法によりロウ付けしてセラミックス基材７に形成されることが多く、この場合、室温に冷却する過程で、線熱膨張係数の大きい金属層８，９に引張応力が残留する。その結果、得られるセラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、構成するセラミックス基材７と金属層８，９の物性値から計算した線熱膨張係数より小さい値となる。

【0043】

一方で、ベース板２の線熱膨張係数を上述のとおり小さくするためには、金属基複合材を用いる場合、線熱膨張係数の小さいセラミックスの比率を上げる必要があり、製造が難しくなると同時に高価になってしまうという問題がある。また、Ｃｕ／Ｍｏ、Ｃｕ／Ｗ等の合金又は多層金属板を用いる場合、線熱膨張係数を下げようとすると熱伝導率の低いＭｏやＷの比率を上げる必要があり、熱伝導率が低下すると共に材料が高価になり、密度が増加して材料自体が重くなる問題がある。このような観点からは、セラミックス絶縁基板４の残留応力や線熱膨張係数を調整することが有効である。

【0044】

セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数を大きくする手法としては、線熱膨張係数の大きい金属層８，９の厚みを厚くすることが有効であるが、この場合、セラミックス基材７に対する引張応力が大きくなり、実使用を想定した熱サイクル試験でセラミックス基材７にクラックが入る等の信頼性の面で問題が発生するおそれがある。このため、金属層８，９に残留する引張応力を低減することが有効である。具体的な手法としては、セラミックス基材７と金属層８，９の接合温度を下げることで、金属層８，９に残留する引張応力を低減することが有効である。一方、セラミックス基材７と金属層８，９との接合温度を下げる手法として、接着剤を用いて低温で接着する手法を用いることにより、セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数を大きくすることはできるが、極端に熱伝導率の低い接着層が存在し、パワーモジュール１としての放熱性に問題が生じるおそれがある。このため、セラミックス基材７の表面に活性金属法等により薄い金属層を形成した後に、所定の厚みの金属を低温で接合する手法や低温溶射法により金属層８，９を形成する手法が有効である。

【0045】

このようなセラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、好ましくは５×１０^－６～９×１０^－６／Ｋ、より好ましくは５×１０^－６～８×１０^－６／Ｋである。セラミックス基材７の熱伝導率は、好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは８０Ｗ／ｍＫ以上、更に好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上である。このようなセラミックス絶縁基板４を得るためには、例えば、セラミックス基材７は、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３で形成されており、金属層８，９は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏ含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されている。セラミックス基材７の厚みは、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、より好ましくは０．３～１．２ｍｍ、更に好ましくは０．６～１．０ｍｍである。金属層８，９の厚みは、好ましくは０．２～２ｍｍ、より好ましくは０．２～１．２ｍｍ、更に好ましくは０．３～１．０ｍｍである。

【0046】

以上説明した放熱部品付きパワーモジュール２１は、ベース板２の放熱面２ｂの形状が適正に制御されており、且つ、パワーモジュール１のベース板２と放熱部品２２との間に放熱シート２４が配置されているため、放熱特性に優れる。そのため、Ｓｉに加え、高出力化が可能なＳｉＣ、ＧａＮ半導体素子を使用した放熱部品付きパワーモジュールに対しても好適である。すなわち、半導体素子６は、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されていてよい。また、放熱部品付きパワーモジュール２１は、高耐圧、高出力等が要望される電車又は自動車の駆動インバータとして好適に用いられる。

【実施例】

【0047】

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【0048】

＜ベース板＞
実施例及び比較例では、表１に示すベース板１～６を用いた。各ベース板は、市販の材料を研削加工により所定形状に加工した後、無電解Ｎｉめっきを施したものを用いた。表中の各物性値を測定するために、研削加工により熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ×厚さ３ｍｍ）、線熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍ）、弾性率測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×長さ４０ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電気社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂ）により、温度１５０℃から２５℃における降温時の線熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）で測定した。また、放熱面の反り量については、３次元輪郭形状測定機（東京精密社製；コンターレコード１６００Ｄ－２２）を用いて測定した。さらに平面度については、透明な樹脂ブロックに締め付けトルク１０Ｎでネジ止めした後、レーザー変位計（キーエンス社製；ＬＴ９０１０Ｍ）で放熱面の形状を測定して求めた。

【0049】

【表1】

【0050】

＜セラミックス絶縁基板＞
実施例及び比較例では、図３（ａ）に示す３層構造のセラミックス絶縁基板４Ａ、又は図３（ｂ）に示す５層構造のセラミックス絶縁基板４Ｂである絶縁基板１～５を用いた。各絶縁基板の詳細を下記及び表２に示す。
・絶縁基板１（３層構造）では、Ａｇ（９０％）－Ｃｕ（１０％）－ＴｉＨ_２（３．５％）ろう材を用いて、温度８００℃で金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板２（５層構造）では、絶縁基板１と同様の手法で金属回路を形成した後、融点３００℃の高温半田で回路金属を接合した後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板３（３層構造）では、Ａｌ－Ｃｕクラッド箔をろう材として用い、温度６３０℃で回路金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板４（５層構造）では、絶縁基板３と同様の手法で金属回路を形成した後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板５（５層構造）では、溶射法（コールドスプレー法）でアルミニウム回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。

【0051】

各絶縁基板の熱伝導率は、セラミックス基材から熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ×板厚）を作製して測定した。温度１５０℃から２５℃の降温時の線熱膨張係数は、セラミックス絶縁基板から線熱膨張係数測定用試験体（３ｍｍ×板厚×長さ１０ｍｍ）を作製して測定した。

【0052】

【表2】

【0053】

［実施例１］
セラミックス絶縁基板として表２の絶縁基板５を用い、Ｓｉ半導体素子及び電極を高温半田で絶縁基板５に接合した後、この絶縁基板５を表１のベース板３に共晶半田を用いて接合した。次に、Ａｌ線をＳｉ半導体素子とセラミックス絶縁基板に超音波接合して配線した後、樹脂筐体をベース板に接着剤で接着した後、樹脂筐体内にシリコーンゲルを充填してパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２５μｍであった。

【0054】

次に、このパワーモジュールを、８本のＭ６の取り付けボルトで１４０ｍｍ×１９０ｍｍ×５０ｍｍの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク１０Ｎで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、１０μｍであった。また、得られたパワーモジュールは、厚み０．１ｍｍの放熱シート（日本ゼオン社製：シート系ＴＩＭ ＺＥＯＮＡＮＯ ＳＧ１０１、カーボンナノチューブ及びゴムを含むシート）を介してアルミニウム合金製の放熱フィンに、８本のＭ６の取り付けボルトで取り付けて放熱部品付きパワーモジュールとした。その後、放熱部品付きパワーモジュールに３分間通電した直後に、Ｓｉ半導体素子近傍の銅回路部の温度を測定した結果、１２５℃であった。さらに、温度－４０℃×３０分と温度１２５℃×３０分を１サイクルとする１０００回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。

【0055】

［実施例２～７］
表３に示す絶縁基板とベース板を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュール及び放熱部品付きパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表３に示す。なお、得られた放熱部品付きパワーモジュールに対し、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、いずれも初期特性を維持していることを確認した。

【0056】

［比較例１］
実施例１で作製したパワーモジュールに、厚み０．１ｍｍの放熱グリス（熱伝導率：１Ｗ／ｍＫ）を介してアルミニウム合金製の放熱フィンに、８本のＭ６の取り付けボルトで取り付けて放熱部品付きパワーモジュールとした。この放熱部品付きパワーモジュールに３分間通電した直後に、Ｓｉ半導体素子近傍の銅回路部の温度を測定した結果、１４５℃であった。

【0057】

［比較例２］
表３に示す絶縁基板とベース板を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュール及び放熱部品付きパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表３に示す。なお、得られた放熱部品付きパワーモジュールに対し、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、Ｓｉ半導体素子の温度上昇に伴う抵抗値の上昇が認められた。

【0058】

【表3】

【0059】

［実施例８～１１］
実施例１のパワーモジュールの放熱面のベース板表面を表４に示す反り量となるように研削加工した。次に、これらのパワーモジュールを用い、実施例１と同様の手法で放熱部品付きパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表４に示す。なお、得られた放熱部品付きパワーモジュールに対し、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、いずれも初期特性を維持していることを確認した。

【0060】

【表4】

【0061】

［実施例１２］
半導体素子としてＳｉＣ半導体素子を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２５μｍであった。次に、このパワーモジュールを、８本のＭ６の取り付けボルトで１４０ｍｍ×１９０ｍｍ×５０ｍｍの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク１０Ｎで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、１１μｍであった。次に、得られたパワーモジュールは、厚み０．１５ｍｍのシート状の放熱材（日本ゼオン社製：シート系ＴＩＭ ＺＥＯＮＡＮＯ ＳＧ１０１、カーボンナノチューブ及びゴムを含むシート）を介してアルミニウム合金製の放熱フィンに、８本のＭ６の取り付けボルトで取り付けて放熱部品付きパワーモジュールとした。その後、得られた放熱部品付きパワーモジュールは、温度－４０℃×３０分と温度１７５℃×３０分を１サイクルとする１０００回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。

【符号の説明】

【0062】

１…パワーモジュール、２…ベース板、２ｂ…ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面（放熱面）、４…セラミックス絶縁基板、６…半導体素子、７…セラミックス基材、８…第１の金属層、９…第２の金属層、２１…放熱部品付きパワーモジュール、２２…放熱部品、２４…放熱シート。

【図1】

【図2】

【図3】