JP5659542B2 - 絶縁基板及びパワーモジュール - Google Patents

Description

この発明は、例えば大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる絶縁基板及びパワーモジュールに関するものである。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子を搭載する絶縁基板としては、例えば特許文献１、２に記載されているように、冷却器の上に絶縁層として樹脂層が形成され、この樹脂層の上に銅板からなる基板本体が配設されたものが提案されている。この基板本体の上にはんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（シリコンチップ）が搭載されることになる。

このような絶縁基板においては、半導体素子から発生した熱が、熱伝導率の高い銅板からなる基板本体において水平方向（積層方向に直交する方向）に拡げられた上で、熱伝導率の低い樹脂層を介して冷却器側へと放散されることになる。
ここで、前述の絶縁基板の絶縁層における放熱特性は、以下に示す熱抵抗Ｒｔｈによって表現される。この式から、面積が大きいほど熱抵抗が低くなり、熱の放散が促進されることになる。
Ｒｔｈ＝（１／ｋ）・（ｔ／Ｓ）
Ｒｔｈ：熱抵抗、ｋ：熱伝導率、ｔ：絶縁層の厚さ、Ｓ：絶縁層の面積

特開２００４−１６５２８１号公報 特開２００６−１１４７１６号公報

ところで、半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数は約２×１０^−６／℃、基板本体を構成する銅の熱膨張係数は約１６×１０^−６／℃であり、互いに大きく異なっている。このため、この絶縁基板に半導体素子を搭載したパワーモジュールに対して冷熱サイクルが負荷された場合には、この熱膨張係数の差による応力がはんだ層に作用し、はんだ層にクラックが発生するといった問題があった。

ここで、基板本体をＣｕ−Ｍｏ合金で構成することにより、基板本体の熱膨張係数を、半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数に近似させて、はんだ層のクラックの発生を抑制することが考えられる。
しかしながら、Ｃｕ−Ｍｏ合金の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋと低くなるため、熱を十分に拡げることができず、半導体素子で発生した熱を効率良く放散することができなくなってしまう。

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、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子との間に介装されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できる絶縁基板及びこの絶縁基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の絶縁基板は、板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなる絶縁基板であって、前記基板本体は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板を有し、この金属基複合板の他方の面側に金属板が積層された構造とされており、前記金属基複合板の一方の面及び他方の面には、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属を前記金属基複合板の表面に滲み出させることによって金属スキン層が形成されており、前記金属基複合板の一方の面に形成された前記金属スキン層に前記半導体素子が搭載されるとともに、前記金属基複合板の他方の面に形成された前記金属スキン層と前記金属板とが接合されており、前記金属基複合板は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、前記金属板は、熱伝導率について等方性を有していることを特徴としている。

この構成の絶縁基板においては、一方の面側に半導体素子が搭載される基板本体が、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板の他方の面側に金属板が積層された構造とされているので、基板本体の熱膨張係数を、銅やアルミニウム等の金属の熱膨張係数よりも小さく設定して、半導体素子の熱膨張係数に近似させることができ、冷熱サイクルによるはんだ層のクラックの発生を抑制することが可能となる。
また、金属基複合板が、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有し、金属板が熱伝導率について等方性を有していることから、金属基複合板の部分では、熱伝導率が高く設定された方向に向けて熱が優先的に拡げられ、金属板の部分では、熱が全方向に向けて拡げられることになり、熱の放散を効率良く行うことが可能となる。なお、金属基複合板と金属板のそれぞれの厚さを調整することにより、熱の放散方向を調整することが可能となる。
また、前記金属基複合板の一方の面に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されているので、はんだ層を介して半導体素子を確実に搭載することができる。また、この金属スキン層にＮｉめっき等を行うことによって、はんだ材との密着性を向上させることも可能である。

ここで、前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされていることが好ましい。
この場合、基板本体のうち半導体素子が搭載される一方の面側に配設された前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされているので、半導体素子を構成するＳｉ等の熱膨張係数に近似することになり、はんだクラックの発生を確実に抑制することができ、この絶縁基板の信頼性を大幅に向上させることができる。

また、前記金属基複合板における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることが好ましい。
この場合、高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることから、熱を高熱伝導率方向に向けて優先的に放散することが可能となる。また、高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされているので、高熱伝導率方向以外においても熱の伝達が行われることになり、熱を確実に放散させることができる。

また、前記基板本体において、前記金属基複合板における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されていることが好ましい。
この場合、前記金属基複合板における高熱伝導率方向が前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されていることから、積層された金属板へと熱が優先的に伝達されることになり、この金属板において熱を全方向に拡げることが可能となる。よって、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることができる。

さらに、前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅または銅合金とされ、前記金属板が銅または銅合金で構成されており、前記金属基複合板の厚さｔ１と前記金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、基板本体全体の厚さ方向の熱伝導率が４００〜５５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲に設定され、基板本体の半導体素子側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

あるいは、前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金とされ、前記金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されており、前記金属基複合板の厚さｔ１と前記金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点が比較的低いことから、炭素質部材中にこれらアルミニウムまたはアルミニウム合金を比較的容易に充填することができる。また、基板本体全体の厚さ方向の熱伝導率が４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋ、基板本体の半導体素子側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。

また、前記基板本体の一方の面側には、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されていることが好ましい。
この場合、前記基板本体の一方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されているので、はんだ層を介して半導体素子を確実に搭載することができる。また、この金属スキン層にＮｉめっき等を行うことによって、はんだ材との密着性を向上させることも可能である。

また、本発明のパワーモジュールは、前述の絶縁基板と、前記絶縁基板の前記基板本体の一方の面上に搭載される半導体素子と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、半導体素子から発生する熱を基板本体において拡げて効率的に放散することが可能となる。また、冷熱サイクル負荷時においても、はんだ層にクラックが発生することがない。これにより、パワーモジュールの信頼性を大幅に向上させることができる。

本発明によれば、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体素子との間に介装されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できる絶縁基板及びこの絶縁基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態である絶縁基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁基板を示す説明図である。 図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 図２に示す金属基複合板の製造方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁基板を用いた半導体装置の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁基板を示す説明図である。 図５に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。

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。図１及び図２に本発明の第１の実施形態である絶縁基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、絶縁基板１０と、この絶縁基板１０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、絶縁基板１０の他方の面（図１において下面）側に配設された冷却器３０と、を備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

冷却器３０は、絶縁基板１０上に搭載された半導体チップ３を冷却するためのものであり、絶縁基板１０と接合される天板部３１と、この天板部３１から垂設された放熱フィン３２とを備えている。冷却器３０（天板部３１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、例えばＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。

絶縁基板１０は、板状をなす基板本体２０を備えており、この基板本体２０の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層１５が形成されており、この絶縁層１５を介して冷却器３０が配設されている。なお、絶縁層１５を構成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料や、これらの樹脂材料に無機フィラーを混合したもの等が挙げられる。

基板本体２０は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板２１と金属板２２とが積層されて構成されている。基板本体２０の一方側（図１及び図２において上側）部分が金属基複合板２１とされ、基板本体２０の他方側（図１及び図２において下側）部分が金属板２２とされているのである。
また、この基板本体２０の一方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層２５が形成されている。この金属スキン層２５の上には、Ｎｉめっき膜５が形成されており、このＮｉめっき膜５の上にはんだ層２を介して半導体チップ３が搭載される構成とされている。

ここで、本実施形態においては、金属基複合板２１を構成する金属基複合材料は、平均面間隔ｄ_００２が０．３４０ｎｍ以下とされた炭素質部材中に、純度９９％以上のアルミニウム（純アルミニウム）が充填されたアルミニウム−グラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の９０体積％以上が純アルミニウムによって置換され、この純アルミニウムの含有率が、アルミニウム−グラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述の金属スキン層２５は、炭素質部材中に充填された純度９９％以上のアルミニウム（純アルミニウム）で構成されている。

この炭素質部材は、押出加工によって製造されるものであり、その押出方向に沿って炭素の結晶が並ぶように構成されている。よって、この炭素質部材にアルミニウムを充填した場合には、炭素質部材の押出方向においては、アルミニウムが連続して配置されることになり熱伝導率が高くなるのである。一方、押出方向に交差する方向では、炭素質部材によってアルミニウムが分断され、熱伝導率が低下することになる。このように、金属基複合板２１を構成する金属基複合材料（アルミニウム−グラファイト複合材料）は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされているのである。

なお、この金属基複合板２１の熱膨張係数は、８×１０^−６／℃以下とされている。
また、金属基複合板２１における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋとされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には、２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
さらに、金属基複合板２１は、高熱伝導率方向が厚さ方向（金属板２２との積層方向）を向くように配置されている。

金属板２２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９％以上とされたアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で構成されている。
ここで、本実施形態では、金属基複合板２１の他方の面側にも、炭素質部材中に充填された純度９９％以上のアルミニウム（純アルミニウム）からなる金属スキン層２６が形成されており、この金属スキン層２６と金属板２２とが、ろう材にて接合された構成とされている。

本実施形態においては、金属基複合板２１の板厚ｔ１が、１．０ｍｍ≦ｔ１≦３．０ｍｍとされ、金属板２２の板厚ｔ２が、０．８ｍｍ≦ｔ２≦１．３ｍｍとされており、金属基複合板２１の板厚ｔ１と金属板２２の板厚ｔ２との比ｔ１／ｔ２は、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されている。
このように構成された基板本体２０においては、基板本体２０全体の厚さ方向の熱伝導率が３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋ、基板本体２０の半導体チップ３側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となる。

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３及び図４を参照して説明する。
まず、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる金属基複合板２１を形成する（金属基複合板形成工程Ｓ１）。この金属基複合板形成工程Ｓ１について図４を参照して説明する。まず、気孔率１０〜３０体積％の黒鉛板４１を準備する。このとき、黒鉛板４１（炭素質部材）における押出方向が厚さ方向を向くものとする。この黒鉛板４１の両面にそれぞれ気孔率５体積％以下の黒鉛からなる挟持板４２，４２を配設し、この挟持板４２，４２と黒鉛板４１とを、ステンレス製の押圧板４３，４３によって挟持する。これを、例えば１００〜２００ＭＰａで加圧した状態で７５０〜８５０℃に加熱し、純度９９％以上の溶融アルミニウムを黒鉛板４１に含浸させ、これを冷却凝固させ、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる金属基複合板２１が製出される。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板４１（金属基複合板２１）の表面に滲み出してアルミニウム層４４、４４が形成される。このアルミニウム層４４、４４に切削加工を施して厚さを調整することにより、金属スキン層２５、２６が形成されることになる。

次に、図３に示すように、金属基複合板２１の他方の面側に、純度が９９．９９％以上とされたアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２２を接合する（金属板接合工程Ｓ２）。なお、本実施形態では、金属基複合板２１の他方の面側に、アルミニウムからなる金属スキン層２６が形成されているので、この金属スキン層２６と金属板２２とが接合されることになる。これら金属スキン層２６と金属板２２とは、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、６１０℃〜６４０℃に設定されている。このようにして、基板本体２０が形成される。

次に、基板本体２０の他方の面側に絶縁層１５を形成する（絶縁層形成工程Ｓ３）。この絶縁層形成工程Ｓ３においては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を塗布、硬化させることによって形成してもよいし、これらの樹脂材料からなる板材を接着剤等で接合してもよい。
このようにして、本実施形態である絶縁基板１０が製出される。

次に、この絶縁基板１０の他方の面側に、冷却器３０（天板部３１）を接合する（冷却器接合工程Ｓ４）。この冷却器接合工程Ｓ４においては、樹脂材料からなる絶縁層１５に、冷却器３０の天板部３１を、例えばエポキシ等の接合材を用いて接合する。なお、絶縁層形成工程Ｓ３と冷却器接合工程Ｓ４とを同時に実施してもよい。
また、基板本体２０の一方の面側に形成された金属スキン層２５の表面にＮｉめっき膜５を形成する（Ｎｉめっき工程Ｓ５）。このＮｉめっき工程Ｓ５においては、電解めっき、または、無電解めっきのいずれの方法も用いることができる。

そして、絶縁基板１０の一方の面側に形成されたＮｉめっき膜５の上に、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ６）。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が絶縁基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出されることになる。

以上のような構成とされた本実施形態である絶縁基板１０及びパワーモジュール１においては、基板本体２０が、炭素質部材中にアルミニウムが充填されたアルミニウム−グラファイト複合材料からなる金属基複合板２１の他方の面側に金属板２２が積層された構造とされているので、基板本体２０の熱膨張係数を、アルミニウムの熱膨張係数よりも小さく設定することができ、冷熱サイクルによるはんだ層のクラックの発生を抑制することが可能となる。ここで、本実施形態では、金属基複合板２１の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされているので、基板本体２０の熱膨張係数が、半導体チップ３を構成するＳｉ等の熱膨張係数に近似することになり、はんだクラックの発生を確実に抑制することができる。

また、金属基複合板２１が、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有し、金属板２２が熱伝導率について等方性を有していることから、絶縁基板１０の一方の面に搭載された半導体チップ３から発生した熱を、金属基複合板２１において、熱伝導率が高く設定された方向に向けて優先的に伝達し、金属板２２において、熱を全方向に向けて拡げることが可能となり、熱の放散を効率良く行うことが可能となる。

ここで、本実施形態では、金属基複合板２１における高熱伝導率方向が、基板本体２０の厚さ方向（金属板２２との積層方向）を向くように配置されているので、金属基複合板２１において、半導体チップ３から発生した熱を金属板２２側に向けて優先的に伝達させて、金属板２２において、熱を全方向に拡げることが可能となる。よって、半導体チップ３から発生した熱を、冷却器３０側へと効率的に放散させることができる。

また、金属基複合板２１における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされているので、半導体チップ３から発生した熱を、高熱伝導率方向に向けて優先的に放散することが可能となるとともに、高熱伝導率方向以外においても熱の伝達が行われることになり、熱を確実に放散させることができる。

さらに、金属基複合板２１が、アルミニウムを炭素質部材中に充填されてなるアルミニウム−グラファイト複合材料で構成されているので、炭素質部材中にこれら溶融したアルミニウムを比較的容易に含浸させることができる。また、基板本体２０全体の厚さ方向の熱伝導率が３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋ、基板本体２０の半導体チップ３側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、半導体チップ３との熱膨張係数の差に起因するはんだ層２のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を冷却器３０側へと放散することができる。

また、本実施形態では、金属板２２が純度９９．９９％以上の純アルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されているので、金属板２２の変形抵抗が小さくなり、冷熱サイクルを負荷した際に生じる熱応力をこの金属板２２の部分で吸収することができ、絶縁基板１０における亀裂の発生等を抑制することができる。

このように本実施形態である絶縁基板１０及びパワーモジュール１によれば、半導体チップ３から発生した熱を効率的に放散させることが可能であるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合でも半導体チップ３との間に介装されたはんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができ、絶縁基板１０及びパワーモジュール１の信頼性の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図５から図７を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール１０１は、図５に示すように、絶縁基板１１０と、この絶縁基板１１０の一方の面（図５において上面）にはんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、絶縁基板１１０の他方の面（図５において下面）側に配設された冷却器１３０と、を備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

絶縁基板１１０は、板状をなす基板本体１２０を備えており、この基板本体１２０の他方の面（図５及び図６において下面）に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層１１５が形成されており、この絶縁層１１５を介して冷却器１３０が配設されている。
なお、絶縁層１１５を構成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料や、これらの樹脂材料に無機フィラーを混合したもの等が挙げられる。

基板本体１２０は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板１２１の他方の面側に金属板１２２が積層されて構成されている。
また、この基板本体１２０の一方の面には、炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層１２５が形成されている。

ここで、本実施形態においては、金属基複合板１２１を構成する金属基複合材料は、炭素質部材中に、純度９９％以上の銅が充填された銅−グラファイト複合材料で構成されており、炭素質部材の気孔の９０体積％以上が銅によって置換され、この銅の含有率が銅−グラファイト複合材料全体積基準で３５％以下とされている。
また、前述の金属スキン層１２５は、炭素質部材中に充填された純度９９％以上の銅で構成されている。

金属基複合板１２１を構成する金属基複合材料（銅−グラファイト複合材料）は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされている。
ここで、金属基複合板１２１における高熱伝導率方向の熱伝導率が５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には５００〜５５０Ｗ／ｍ・Ｋとされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、具体的には３００〜３５０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。
また、この金属基複合板１２１の熱膨張係数は、８×１０^−６／℃以下に設定されている。

金属板１２２は、銅または銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９％以上とされた銅で構成されている。
ここで、本実施形態では、金属基複合板１２１の他方の面側にも、炭素質部材中に充填された純度９９％以上の銅からなる金属スキン層１２６が形成されており、この金属スキン層１２６と金属板１２２とが、ろう材にて接合された構成とされている。また、金属基複合板１２１は、高熱伝導率方向が厚さ方向（金属板１２２との積層方向）を向くように配置されている。

また、本実施形態においては、金属基複合板１２１の板厚ｔ１が、１．０ｍｍ≦ｔ１≦３．０ｍｍとされ、金属板１２２の板厚ｔ２が、０．８ｍｍ≦ｔ２≦１．５ｍｍとされており、金属基複合板１２１の板厚ｔ１と金属板１２２の板厚ｔ２との比ｔ１／ｔ２は、 １≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されている。
このように構成された基板本体１２０においては、基板本体１２０全体の厚さ方向の熱伝導率が４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲に設定され、基板本体１２０の半導体チップ１０３側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となる。

次に、本実施形態であるパワーモジュール１０１の製造方法について、図７を参照して説明する。
まず、銅−グラファイト複合材料からなる金属基複合板１２１を形成する（金属基複合板形成工程Ｓ１１）。この金属基複合板形成工程Ｓ１１では、第１の実施形態と同様に、黒鉛板を加圧した状態で溶融した銅を含浸させることによって形成される。なお、溶融した銅が黒鉛板の表面に滲み出すことによって銅層が形成され、この銅層を切削加工して、その厚さを調整することにより、金属スキン層１２５、１２６が形成される。

次に、この金属基複合板１２１の他方の面側に、純度が９９．９９９％以上とされた銅からなる金属板１２２を接合する（金属板接合工程Ｓ１２）。なお、本実施形態では、金属基複合板１２１の他方の面側に、銅からなる金属スキン層１２６が形成されているので、この金属スキン層１２６と金属板１２２とが接合されることになる。これら金属スキン層１２６と金属板１２２とは、例えばＡｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合されており、ろう付けの温度は、８００℃〜９００℃に設定されている。このようにして、基板本体１２０が形成される。

次に、基板本体１２０の他方の面側に絶縁層１１５を形成する（絶縁層形成工程Ｓ１３）。この絶縁層形成工程Ｓ１３においては、例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を塗布、硬化させることによって形成してもよいし、これらの樹脂材料からなる板材を接着剤等で接合してもよい。
このようにして、本実施形態である絶縁基板１１０が製出される。

次に、この絶縁基板１１０の他方の面側に、冷却器１３０を接合する（冷却器接合工程Ｓ１４）。この冷却器接合工程Ｓ１４においては、樹脂材料からなる絶縁層１１５に、冷却器３０を、例えばエポキシ等の接合材を用いて接合する。なお、絶縁層形成工程Ｓ１３と冷却器接合工程Ｓ１４とを同時に実施してもよい。

そして、絶縁基板１０の一方の面側に形成された金属スキン層１２５の上に、はんだ材を介して半導体チップ１０３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
これにより、はんだ層１０２を介して半導体チップ１０３が絶縁基板１１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出されることになる。

以上のような構成とされた第２の本実施形態である絶縁基板１１０及びパワーモジュール１０１においては、金属基複合板１２１を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅とされ、金属板１２２が同じく銅で構成されており、金属基複合板１２１の厚さｔ１と金属板１２２の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されているので、基板本体１２０全体の厚さ方向の熱伝導率が４００〜４５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲に設定され、基板本体１２０の半導体チップ１０３側の熱膨張係数が６〜８×１０^−６／℃となり、半導体チップ１０３との熱膨張係数の差に起因するはんだ層１０２のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を冷却器１３０側に放散することができる。

また、基板本体１２０の一方の面側に銅からなる金属スキン層１２５が形成されているので、Ｎｉめっき膜を形成することなく、はんだ材を介して半導体チップ１０３を接合することができる。よって、このパワーモジュール１０１の製造コストの削減を図ることができる。

次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
押し出し法で製造した炭素質部材を押し出し方向が板厚方向となるように切断し、グラファイト材を準備した。これらをモールド内にセットし、純アルミニウムまたは純銅の溶湯を注いだ後、高圧をかけることにより、金属基複合板（アルミニウム−グラファイト複合材または銅―グラファイト複合材）を製造した。

このようにして製造されたアルミニウム−グラファイト複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で４２２Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で２４１Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、面内に平行方向にＲＴ〜２００℃までの平均熱膨張係数を測定した結果、７．１×１０^−６／℃であった。
また、銅−グラファイト複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で５３０Ｗ／ｍ・Ｋ、垂直方向で３４２Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、面内に平行方向にＲＴ〜２００℃までの平均熱膨張係数を測定した結果、７．５×１０^−６／℃であった。
この金属基複合板（アルミニウム−グラファイト複合材または銅−グラファイト複合材）を用いて、平均熱膨張係数、熱抵抗、はんだクラックについて評価した。

まず、５０ｍｍ角の金属基複合板／金属板（複合基板）の熱膨張係数をＲＴ〜２００℃で測定し、平均熱膨張係数を算出した。
次に、熱抵抗Ｒｔｈは、５０ｍｍ角の金属基複合板／金属板（複合基板）に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕからなるはんだ材を介して１０ｍｍ角のシリコンチップを接合し、このシリコンチップを発熱させて温度測定を行い、複合基板上面と金属板下面の熱抵抗を以下の式で算出した。
Ｒｔｈ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｑ
Ｔｊ：シリコンチップ温度、Ｔａ：複合基板下面の温度、Ｑ（Ｗ）：半導体チップ発熱量

はんだクラックについては、上述の熱抵抗測定用サンプルを温度サイクル−４０℃〜１２５℃×３０００回（液相）後に、シリコンチップ下はんだ部を断面観察し、クラックの進展の程度を評価した（○：端部からのクラック進展長さが０．５ｍｍ以下、△：端部からのクラック進展長さが０．５ｍｍ超えるが実用上問題なし）。
評価結果を表１に示す。

アルミニウム−グラファイト複合材からなる金属基複合板とアルミニウムからなる金属板とを備えた絶縁基板においては、金属基複合板の厚さｔ１と金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が１より小さいとはんだクラックの発生が認められた。一方、ｔ１／ｔ２が２を超えると熱抵抗Ｒｔｈが０．０７以上となることが確認された。この結果から、アルミニウム−グラファイト複合材からなる金属基複合板とアルミニウムからなる金属板とを備えた絶縁基板においては、金属基複合板の厚さｔ１と金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２は、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定することが好ましいことが確認された。

一方、銅−グラファイト複合材からなる金属基複合板と銅からなる金属板とを備えた絶縁基板においては、金属基複合板の厚さｔ１と金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が１より小さいとはんだクラックの発生が認められた。一方、ｔ１／ｔ２が２を超えると熱抵抗Ｒｔｈが０．０５以上となることが確認された。この結果から、銅−グラファイト複合材からなる金属基複合板と銅からなる金属板とを備えた絶縁基板においては、金属基複合板の厚さｔ１と金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２は、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定することが好ましいことが確認された。

以上、本発明の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。
例えば、金属基複合材料を、炭素質部材中にアルミニウムまたは銅を充填したアルミ二ウム−グラファイト複合材料または銅−グラファイト複合材料として説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム合金や銅合金、他の金属を充填したものであってもよい。

また、炭素質部材として、黒鉛板（黒鉛部材）を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等で構成された炭素質部材であってもよい。
さらに、金属基複合板を１枚、金属板を１枚、積層して基板本体を構成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、複数の金属基複合板、金属板を積層して基板本体を構成してもよい。

また、金属スキン層を、金属基複合板中に充填されたアルミニウム又は銅を滲み出させて形成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、金属基複合板を形成する際に、アルミニウムまたは銅の板材を挟持板の間に挟みこんで、金属スキン層を形成してもよい。
さらに、金属基複合板の両面に金属スキン層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属スキン層を片面のみに形成してもよいし、両面ともに金属スキン層を形成しなくてもよい。

また、金属基複合板と金属板とをろう材を介して接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の接合方法によって接合してもよい。
さらに、絶縁層を構成する材料は、例示された樹脂材料等に限定されることはない。また、絶縁層の形成方法についても、本実施形態に限定されることはない。

１、１０１ パワーモジュール
２、１０２ はんだ層
３、１０３ 半導体チップ（半導体素子）
１０、１１０ 絶縁基板
１５、１１５ 絶縁層
２０、１２０ 基板本体
２１、１２１ 金属基複合板
２２、１２２ 金属板
２５、１２５ 金属スキン層
３０、１３０ 冷却器

Claims (6)

1. 板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなる絶縁基板であって、
   前記基板本体は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板を有し、この金属基複合板の他方の面側に金属板が積層された構造とされており、
   前記金属基複合板の一方の面及び他方の面には、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属を前記金属基複合板の表面に滲み出させることによって金属スキン層が形成されており、
   前記金属基複合板の一方の面に形成された前記金属スキン層に前記半導体素子が搭載されるとともに、前記金属基複合板の他方の面に形成された前記金属スキン層と前記金属板とが接合されており、
   前記金属基複合板は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、前記金属板は、熱伝導率について等方性を有していることを特徴とする絶縁基板。
2. 前記金属基複合板の熱膨張係数が８×１０^−６／℃以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁基板。
3. 前記金属基複合板における高熱伝導率方向の熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁基板。
4. 前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料が銅または銅合金とされ、前記金属板が銅または銅合金で構成されており、
   前記金属基複合板の厚さｔ１と前記金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の絶縁基板。
5. 前記金属基複合板を構成する金属基複合材料において充填される金属材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金とされ、前記金属板がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されており、
   前記金属基複合板の厚さｔ１と前記金属板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１≦ｔ１／ｔ２≦２の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の絶縁基板。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の絶縁基板と、前記絶縁基板の前記基板本体の一方の面上に搭載される半導体素子と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。

Images