JP2004235387A - パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】高放熱特性を確保しながら反りが少なく、接合部の疲労劣化の少ない安価で信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミック基板１１の上表面側に半導体素子１２を搭載するための配線金属板１３と、セラミック基板１１の下表面側に半導体素子１２から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板１５と、金属板１５からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板１６を接合して有するパワーモジュール用基板１０において、放熱板１６がＡｌ板からなり、放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板１９が接合され、しかも、反り補正板１９が反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する放熱板１６に設けられる凹部２０に接合される。
【選択図】 図１
【解決手段】セラミック基板１１の上表面側に半導体素子１２を搭載するための配線金属板１３と、セラミック基板１１の下表面側に半導体素子１２から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板１５と、金属板１５からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板１６を接合して有するパワーモジュール用基板１０において、放熱板１６がＡｌ板からなり、放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板１９が接合され、しかも、反り補正板１９が反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する放熱板１６に設けられる凹部２０に接合される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板に係り、より詳細には、大量の熱を発する半導体素子を搭載した時の発熱を速やかに放熱させるためのパワーモジュール用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるためのパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。
【０００３】
図５に示すように、例えば、省エネルギーを目的としたハイブリッド自動車等に採用されているパワーモジュール用基板５０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなる絶縁基材５１の上表面に、アルミニウム（Ａｌ）板で回路状に形成した配線金属板５２がＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系等のろう材を用いて接合されている。絶縁基板５１の下表面には、上表面の場合と同様に、Ａｌ板からなる金属板５３が同様のろう材を用いて接合されている。この金属板５３は、絶縁基板５１とＡｌ板との熱膨張係数の差から発生するパワーモジュール用基板５０の反りの発生のバランスを保つと同時に、半導体素子からの発熱を下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。更に、パワーモジュール用基板５０は、金属板５３に、モリブデン（Ｍｏ）にＣｕを含浸、あるいは、ＭｏとＣｕを混合させる等の方法て形成する放熱板５４を半田５５で接合して有している。この放熱板５４は、金属板５３からの熱を、横方向に拡散させながら、更に下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。なお、放熱板５４の下面側には、通常、熱を放散させるための空冷方式用の放熱フィンからなる冷却器５６や、水冷方式用の冷却水を内蔵する冷却器（図示せず）等が取り付けられ、速やかに熱をパワーモジュール用基板５０の外に放熱させている。
【０００４】
従来のパワーモジュール用基板には、セラミック基板と放熱板を接合する時に、相互の熱膨張係数の差から発生する熱応力による反りを接合後にフラットにするために、予め放熱板に逆向きの反りを与えておくことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３１３３５５号公報（弟１−６頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような問題がある。
（１）絶縁基板に、ＡｌＮを用いる場合は、コストが高く、これを用いて作製されたパワーモジュール用基板がコストアップとなっている。
（２）絶縁基板に、Ａｌ２Ｏ３を採用する場合は、コスト的にはＡｌＮに比較して安価であるが、熱伝導率が低い（Ａｌ２Ｏ３が２１Ｗ／ｍ・Ｋ程度、ＡｌＮが１９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）ので高放熱特性が要求される製品には充分に要求に応えられない。また、放熱特性を補うために基板厚みを薄くして対応しようとすると、基板強度が低く（抗折強度で３２０ＭＰａ程度）破壊が発生するので、薄くすることには限界がある。
（３）放熱板に、ＭｏにＣｕを含浸、あるいは、ＭｏとＣｕを混合させて作製したものを用いる場合は、放熱板が高価であり、これを用いて作製されたパワーモジュール用基板がコストアップとなっている。
（４）放熱板に逆反りを発生させるのは、放熱板の形状や厚みによって反らせる程度が異なり、反らせる程度を見いだすのに時間と、コストがかかっている。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高放熱特性を確保しながら反りが少なく、接合部の疲労劣化の少ない安価で信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、セラミック基板の下表面側に半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、放熱板がＡｌ板からなり、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が接合され、しかも、反り補正板が反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する放熱板に設けられる凹部に接合される。これにより、放熱板の開放面には、軽重量で加工性が容易なＡｌ板であるので、容易に凹部が形成でき、形成された凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図ることができるので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、反り補正板は、放熱板の凹部に収納されているので、冷却器を放熱板に容易に接続することができる。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、セラミック基板の下表面側に半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が放熱板の平面状の表面に接合され、しかも、反り補正板が冷却器に設ける反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部に収納される。これにより、放熱板に特段の加工を施すことなく、平面状の表面に反り補正板が容易に接合されてパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスが図られているので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、例えば、放熱板がＣｕ板、冷却器がＡｌ板から形成される場合には、加工が容易なＡｌ板に切り欠き部が形成できるので、冷却器を含めて全体的にパワーモジュール用基板を用いた装置を安価にすることができる。
【０００９】
ここで、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加し、焼結して形成されたジルコニア系アルミナセラミックからなるのがよい。これにより、セラミック基板がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度の焼成温度で作製できるジルコニア系アルミナセラミックからなり、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同じ程度であり、ＡｌＮに比較しての熱伝導率の低さを抗折強度が高いことからの基板厚みを薄くすることで対応し、放熱特性をＡｌＮと同じ程度に維持しながらＡｌＮの場合と比較して安価であるので、ＡｌＮの場合の放熱特性を維持しながらパワーモジュール用基板を安価にすることができる。
【００１０】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＣｕ板からなり、しかも、配線金属板とセラミック基板、及び金属板とセラミック基板の接合がセラミック基板にメタライズを形成しないで直接接合するＤＢＣ法、又は活性金属ろう材接合法によって接合されるのがよい。これにより、配線金属板、及び金属板にＣｕ板を用いているので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られと同時に、安価である。しかも、ＤＢＣ法での接合、又は、活性金属ろう材接合法での接合によって、絶縁基板にＣｕ板を容易に強固に接合することができるので、放熱性のよいパワーモジュール用基板にすることができる。
【００１１】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＡｌ板からなるのがよい。これにより、配線金属板及び金属板にＡｌ板を用いているので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られると同時に、加工性がよく、軽重量で安価な材料であるのでパワーモジュール用基板を軽重量で安価にすることができる。
【００１２】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、金属板と放熱板、及び放熱板と反り補正板のろう付け接合に用いるろう材が半田以外のろう材であるのがよい。これにより、熱応力劣化の激しい半田を用いないことで、接合部のろう材の劣化の発生がなく、接合部からの放熱性の低下を防止することができる。
【００１３】
更に、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、反り補正板が金属製又はセラミック製からなり、４〜１２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するのがよい。これにより、反り補正板の熱膨張係数を、セラミック基板の熱膨張係数に近似させることができるので、パワーモジュール用基板の反りの発生を小さく抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＡ−Ａ’線縦断面図、裏面側平面図、図３は第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＢ−Ｂ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【００１５】
図１に示すように、第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の上表面側に、上面にパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子１２を搭載したりするための配線金属板１３が接合されて設けられている。この配線金属板１３は、熱伝導率の高い、例えば、Ｃｕや、Ａｌ等の金属板からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工等によって配線回路状態になるように形成されており、所定の場所の配線回路部の上面に搭載される半導体素子１２のパッド電極と他の配線回路部とをボンディングワイヤ１４等で接続されるために設けられている。
【００１６】
セラミック基板１１の下表面側には、半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための金属板１５が接合されて設けられている。この金属板１５は、配線金属板１３と同様の金属からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工等によって実質的に板状態に形成されている。金属板１５は、半導体素子１２から発生する熱を下方側に伝熱して放熱させるのに用いられる。また、配線金属板１３と同様の金属からなる金属板１５をセラミック基板１１に接合して、セラミック基板１１を配線金属板１３と金属板１５とで両面からサンドイッチ状態とすることは、それぞれのセラミック基板１１との接合面に熱膨張係数の差から発生する応力を互いに相殺させることができ、セラミック基板１１との接合時に発生する反りや曲がりの発生を防止している。
【００１７】
金属板１５の下表面側には、金属板１５から放熱された熱を、更に下側へ伝熱及び放熱させるための放熱板１６がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。この放熱板１６は、Ａｌ（アルミニウム）板からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工、又は機械加工等によって形成されている。また、放熱板１６と金属板１５との接合面と反対側の放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８との間の開放面には、セラミック基板１１に、配線金属板１３及び金属板１５を接合した接合体を放熱板１６に接合する時に発生する反りを矯正するための、放熱板１６の開放面の面積より接合面積が小さい反り補正板１９がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。しかも、この放熱板１６の開放面の反り補正板１９が接合される部位には、反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する凹部２０が切削加工等によって形成されて設けられており、この凹部１８に反り補正板１９がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。パワーモジュール用基板１０の放熱板１６の下方に設けられる冷却器１８は、通常、半導体素子１２からの発熱を大気中に放熱させるための空冷式や、水冷式等からなり、放熱板１６に接合材を用いて接合したり、外部から締め付けたりして接続されて設けられている。
【００１８】
なお、反り補正板１９の寸法は、特に限定されるものではなく、材料によって、厚さや、寸法が適宜最適なものに設計変更することができ、外形形状も矩形や、円形のものが適用できる。また、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反り補正板は、円形や、矩形（図示せず）等からなるリング状の反り補正板１９ａに形成することもでき、この場合には、放熱板１６の裏面側の開放面に切削加工等によって円形や、矩形等からなるリング状の凹部２０ａを設け、この凹部２０ａに反り補正板１９ａをろう材１７でろう付け接合している。なお、放熱板１６の開放面にリング状の凹部２０ａを設けた場合には、リング状の反り補正板１９ａで反りを補正すると同時に、放熱板１６の開放面の中心部に凹部２０ａが形成されなく、冷却器１８に当接する部分が広くすることができるので、半導体素子１２からの発熱を速やかに冷却器１８で放熱させることができる。
【００１９】
図３に示すように、第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０ａは、第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０と同様に、セラミック基板１１の上表面側に、上面に半導体素子１２を搭載したりするための配線金属板１３が接合されて設けられている。この配線金属板１３は、配線回路状態になるように形成され、所定の場所の配線回路部の上面に搭載される半導体素子１２のパッド電極と他の配線回路部とをボンディングワイヤ１４等で接続されるために設けられている。一方、セラミック基板１１の下表面側には、半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための金属板１５が接合されて設けられている。この金属板１５は、配線金属板１３と同様の金属からなり、実質的に板状態に形成されている。セラミック基板１１を配線金属板１３と金属板１５とで両面からサンドイッチ状態とすることは、それぞれの接合面に熱膨張係数の差から発生する応力を互いに相殺させ、セラミック基板１１との接合時に発生する反りや曲がりの発生を防止している。
【００２０】
金属板１５の下表面側には、熱を更に下側へ伝熱及び放熱させるための放熱板１６がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。この放熱板１６は、Ａｌ板や、Ｃｕ板等からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工、又は機械加工等によって形成されている。また、放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８ａとの間の開放面には、セラミック基板１１に、配線金属板１３及び金属板１５を接合した接合体を放熱板１６に接合する時に発生する反りを矯正するための、放熱板１６の開放面の面積より接合面積が小さい反り補正板１９が放熱板１６の平面状の表面にろう材１７でろう付け接合されて設けられている。しかも、この反り補正板１９は、冷却器１８ａに切削加工等によって形成されて設ける反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部２１に収納されている。
【００２１】
なお、反り補正板１９の寸法は、特に限定されるものではなく、材料によって、厚さや、寸法が適宜最適なものに設計変更することができ、外形形状も矩形や、円形のものが適用できる。また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反り補正板は、円形や、矩形（図示せず）等からなるリング状の反り補正板１９ａに形成することもでき、この場合には、放熱板１６の裏面側の平面状の開放面に反り補正板１９ａをろう材１７でろう付け接合している。そして、このリング状の反り補正板１９ａは、冷却器１８ａに形成されるリング状の切り欠き部２１に収納されている。なお、冷却器１８ａにリング状の切り欠き部２１を設けた場合には、リング状の反り補正板１９ａで反りを補正すると同時に、放熱板１６の開放面の中心部の反り補正板１９ａが接合されない部分にも冷却器１８ａを当接させることができるので、冷却器１８ａに当接する部分を広くすることができ、半導体素子１２からの発熱を速やかに冷却器１８ａで放熱させることができる。
【００２２】
ここで、パワーモジュール用基板１０、１０ａを構成するセラミック基板１１は、主成分のＡｌ２Ｏ３を７０〜９７ｗｔ％の範囲にして、これにＺｒＯ２を２〜２９．９ｗｔ％の範囲で添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を０．１〜２ｗｔ％の範囲で添加して大気中約１６００℃で焼成して形成するジルコニア系アルミナセラミック基板の焼成体からなるのがよい。Ａｌ２Ｏ３を主成分として、これに上記割合のＺｒＯ２が添加された焼成体からなるセラミック基板１１は、Ａｌ２Ｏ３単体の基板と熱伝導率を同等程度に保ちながら機械的強度、特に破壊靱性を大幅に高めることができる（Ａｌ２Ｏ３単体では、３．１ＭＰａ・ｍ０．５、ジルコニア系アルミナセラミックでは、４．４ＭＰａ・ｍ０．５）。また、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２のいずれか１種以上を添加することで、基板の焼成温度をＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度に抑えつつ、ＺｒＯ２結晶粒の靭性を改善することができる。これらによって、セラミック基板１１は、ＡｌＮの基板より熱伝導率が低下するものの、厚みを薄くすることで、熱伝導率の低さを補うことができ、Ａｌ２Ｏ３単体の基板より優れ、ＡｌＮの基板に匹敵する優れた放熱性を有することができる。
【００２３】
次いで、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１とＣｕ板からなる配線金属板１３、あるいは、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１とＣｕ板からなる金属板１５との接合は、ＤＢＣ法での接合、又は活性金属ろう材で接合するのがよい。このＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ）法での接合とは、予め表面を酸化させたＣｕ板をセラミック基板１１の表面に当接させ、Ｃｕの融点付近まで昇温してＣｕと微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合剤として焼成して直接セラミック基板１１に接合する方法である。
【００２４】
また、活性金属ろう材を用いて接合するには、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いている。そして、接合方法は、この活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板１１のそれぞれの表面にスクリーン印刷法で配線金属板１３や、金属板１５のパターンと実質的に同程度、又は若干大きめのパターンとなるように印刷し、その上に配線金属板１３や、金属板１５を当接させ、約７５０〜８５０℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板１１に接合している。活性金属ろう材は、セラミック基板１１がジルコニア系アルミナセラミックからなる場合には、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上をＡｇ−Ｃｕ系ろうに含有させたものを用いることができ、セラミック基板１１への親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
【００２５】
なお、セラミック基板１１と、配線金属板１３及び金属板１５との接合は、ＤＢＣ法、又は、活性金属ろう材接合法による場合とも、１度に、あるいは、配線金属板１３と金属板１５のそれぞれを分けて行ってもよい。熱伝導率の極めて高いＣｕ板を用いた配線金属板１３及び金属板１５は、ＤＢＣ法、又は、活性金属ろう材接合法による接合によって、セラミック基板１１に容易に強固に接合することができるので、極めて放熱性のよいパワーモジュール用基板１０、１０ａを構成することができる。
【００２６】
次いで、パワーモジュール用基板１０、１０ａを構成する配線金属板１３と、金属板１５には、Ａｌ板を用いることもできる。この場合のセラミック基板１１との接合には、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系等のろう材を用いることができ、セラミック基板に強固に接合し、良好な放熱性を確保することができる。
【００２７】
次いで、Ｃｕ板からなる金属板１５と、Ｃｕ板又はＡｌ板からなる放熱板１６とのろう付け接合、及び放熱板１６と反り補正板１９とのろう付け接合に使用するろう材１７は、半田以外の、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系や、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材のろう材１７であるのがよい。半田以外のこれらのろう材１７は、熱応力による疲労劣化が少ないので、パワーモジュール用基板に高温と低温の繰り返しの温度サイクルがあっても放熱性の低下を防止することができる。また、放熱板１６には、安価で熱伝導率の高いＣｕ板や、Ａｌ板を用いることで、放熱特性がよく、安価なパワーモジュール用基板１０、１０ａを構成することができる。
【００２８】
次いで、放熱板１６に接合する反り補正板１９は、金属製又はセラミック製からなるのがよく、その熱膨張係数は、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１の熱膨張係数に近似する４〜１２ｐｐｍ／℃の範囲にあるのがよい。反り補正板１９が金属製であれば、例えば、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール」）が熱膨張係数９．９ｐｐｍ／℃、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が熱膨張係数１１ｐｐｍ／℃で適しており、セラミック製であれば、例えば、セラミック基板１１と同等のジルコニア系アルミナセラミックが熱膨張係数７．４５ｐｐｍ／℃でよく、ＡｌＮが４．８ｐｐｍ／℃、Ａｌ２Ｏ３も７．２ｐｐｍ／℃で反りを抑制するのに優れている。なお、反り補正板１９の熱膨張係数が４ｐｐｍ／℃未満、又は、１２ｐｐｍ／℃を超えると反りの発生が大きくなり、半導体素子１２を実装する時に、半導体素子１２が搭載できない等の支障が発生する。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１とこれに従属する請求項３〜６記載のパワーモジュール用基板は、放熱板がＡｌ板からなり、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が接合され、しかも、反り補正板が反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する放熱板に設けられる凹部に接合されるので、放熱板が加工性のよいＡｌ板であるので、容易に凹部が形成できる。この凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図ることができるので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、反り補正板は、放熱板の凹部に収納されているので、冷却器を放熱板に容易に接続することができる。更に、放熱板がＡｌ板であるので、パワーモジュール用基板を軽重量にすることができる。
【００３０】
請求項２とこれに従属する請求項３〜６記載のパワーモジュール用基板は、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が放熱板の平面状の表面に接合され、しかも、反り補正板が冷却器に設ける反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部に収納されるので、放熱板の開放面に形成した凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図り、反りの少ないパワーモジュール用基板として半導体素子を容易に実装することができる。また、例えば、放熱板がＣｕ板、冷却器がＡｌ板から形成される場合には、加工が容易なＡｌ板に切り欠き部が安価に加工でき、冷却器を含めて全体的にパワーモジュール用基板を用いた装置を安価にすることができる。
【００３１】
特に、請求項３記載のパワーモジュール用基板は、セラミック基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加し、焼結して形成されたジルコニア系アルミナセラミックからなるので、Ａｌ２Ｏ３単体のセラミック基板と同等程度の焼成温度で作製でき、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同じ程度の低さを破壊靱性が高いことからの基板厚みを薄くすることで対応して放熱特性をＡｌＮと同じ程度に維持しながらＡｌＮの場合と比較して安価にすることで、ＡｌＮの場合の放熱特性を維持しながらパワーモジュール用基板を安価にすることができる。
【００３２】
また、請求項４記載のパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＣｕ板からなり、しかも、配線金属板とセラミック基板、及び金属板とセラミック基板の接合がセラミック基板にメタライズを形成しないで直接接合するＤＢＣ法、又は活性金属ろう材接合法によって接合されるので、配線金属板、及び金属板の熱伝導率が高く、高放熱特性が得られと同時に、安価である。しかも、ＤＢＣ法、又は活性金属ろう材法での接合によって、絶縁基板にＣｕ板を容易に強固に接合することができ、放熱性のよいパワーモジュール用基板にすることができる。
【００３３】
また、請求項５記載のパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＡｌ板からなるので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られると同時に、軽重量で安価にすることができる。
【００３４】
また、請求項６記載のパワーモジュール用基板は、金属板と放熱板、及び放熱板と反り補正板のろう付け接合に用いるろう材が半田以外のろう材であるので、熱応力劣化の激しい半田を用いないことで、接合部のろう材の劣化の発生がなく、接合部からの放熱性の低下を防止することができる。
【００３５】
更に、請求項７記載のパワーモジュール用基板は、反り補正板が金属製又はセラミック製からなり、４〜１２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するので、反り補正板の熱膨張係数を、セラミック基板の熱膨張係数に近似させることができ、パワーモジュール用基板の反りの発生を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＡ−Ａ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【図３】第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＢ−Ｂ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【図５】従来のパワーモジュール用基板の縦断面である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：パワーモジュール用基板、１１：セラミック基板、１２：半導体素子、１３：配線金属板、１４：ボンディングワイヤ、１５：金属板、１６：放熱板、１７：ろう材、１８、１８ａ：冷却器、１９、１９ａ：反り補正板、２０、２０ａ凹部、２１：切り欠き部
【発明が属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板に係り、より詳細には、大量の熱を発する半導体素子を搭載した時の発熱を速やかに放熱させるためのパワーモジュール用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるためのパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。
【０００３】
図５に示すように、例えば、省エネルギーを目的としたハイブリッド自動車等に採用されているパワーモジュール用基板５０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなる絶縁基材５１の上表面に、アルミニウム（Ａｌ）板で回路状に形成した配線金属板５２がＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系等のろう材を用いて接合されている。絶縁基板５１の下表面には、上表面の場合と同様に、Ａｌ板からなる金属板５３が同様のろう材を用いて接合されている。この金属板５３は、絶縁基板５１とＡｌ板との熱膨張係数の差から発生するパワーモジュール用基板５０の反りの発生のバランスを保つと同時に、半導体素子からの発熱を下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。更に、パワーモジュール用基板５０は、金属板５３に、モリブデン（Ｍｏ）にＣｕを含浸、あるいは、ＭｏとＣｕを混合させる等の方法て形成する放熱板５４を半田５５で接合して有している。この放熱板５４は、金属板５３からの熱を、横方向に拡散させながら、更に下面側へ速やかに伝熱して放熱させるために設けられている。なお、放熱板５４の下面側には、通常、熱を放散させるための空冷方式用の放熱フィンからなる冷却器５６や、水冷方式用の冷却水を内蔵する冷却器（図示せず）等が取り付けられ、速やかに熱をパワーモジュール用基板５０の外に放熱させている。
【０００４】
従来のパワーモジュール用基板には、セラミック基板と放熱板を接合する時に、相互の熱膨張係数の差から発生する熱応力による反りを接合後にフラットにするために、予め放熱板に逆向きの反りを与えておくことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３１３３５５号公報（弟１−６頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような問題がある。
（１）絶縁基板に、ＡｌＮを用いる場合は、コストが高く、これを用いて作製されたパワーモジュール用基板がコストアップとなっている。
（２）絶縁基板に、Ａｌ２Ｏ３を採用する場合は、コスト的にはＡｌＮに比較して安価であるが、熱伝導率が低い（Ａｌ２Ｏ３が２１Ｗ／ｍ・Ｋ程度、ＡｌＮが１９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）ので高放熱特性が要求される製品には充分に要求に応えられない。また、放熱特性を補うために基板厚みを薄くして対応しようとすると、基板強度が低く（抗折強度で３２０ＭＰａ程度）破壊が発生するので、薄くすることには限界がある。
（３）放熱板に、ＭｏにＣｕを含浸、あるいは、ＭｏとＣｕを混合させて作製したものを用いる場合は、放熱板が高価であり、これを用いて作製されたパワーモジュール用基板がコストアップとなっている。
（４）放熱板に逆反りを発生させるのは、放熱板の形状や厚みによって反らせる程度が異なり、反らせる程度を見いだすのに時間と、コストがかかっている。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高放熱特性を確保しながら反りが少なく、接合部の疲労劣化の少ない安価で信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、セラミック基板の下表面側に半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、放熱板がＡｌ板からなり、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が接合され、しかも、反り補正板が反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する放熱板に設けられる凹部に接合される。これにより、放熱板の開放面には、軽重量で加工性が容易なＡｌ板であるので、容易に凹部が形成でき、形成された凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図ることができるので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、反り補正板は、放熱板の凹部に収納されているので、冷却器を放熱板に容易に接続することができる。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、セラミック基板の下表面側に半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が放熱板の平面状の表面に接合され、しかも、反り補正板が冷却器に設ける反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部に収納される。これにより、放熱板に特段の加工を施すことなく、平面状の表面に反り補正板が容易に接合されてパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスが図られているので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、例えば、放熱板がＣｕ板、冷却器がＡｌ板から形成される場合には、加工が容易なＡｌ板に切り欠き部が形成できるので、冷却器を含めて全体的にパワーモジュール用基板を用いた装置を安価にすることができる。
【０００９】
ここで、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加し、焼結して形成されたジルコニア系アルミナセラミックからなるのがよい。これにより、セラミック基板がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度の焼成温度で作製できるジルコニア系アルミナセラミックからなり、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同じ程度であり、ＡｌＮに比較しての熱伝導率の低さを抗折強度が高いことからの基板厚みを薄くすることで対応し、放熱特性をＡｌＮと同じ程度に維持しながらＡｌＮの場合と比較して安価であるので、ＡｌＮの場合の放熱特性を維持しながらパワーモジュール用基板を安価にすることができる。
【００１０】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＣｕ板からなり、しかも、配線金属板とセラミック基板、及び金属板とセラミック基板の接合がセラミック基板にメタライズを形成しないで直接接合するＤＢＣ法、又は活性金属ろう材接合法によって接合されるのがよい。これにより、配線金属板、及び金属板にＣｕ板を用いているので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られと同時に、安価である。しかも、ＤＢＣ法での接合、又は、活性金属ろう材接合法での接合によって、絶縁基板にＣｕ板を容易に強固に接合することができるので、放熱性のよいパワーモジュール用基板にすることができる。
【００１１】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＡｌ板からなるのがよい。これにより、配線金属板及び金属板にＡｌ板を用いているので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られると同時に、加工性がよく、軽重量で安価な材料であるのでパワーモジュール用基板を軽重量で安価にすることができる。
【００１２】
また、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、金属板と放熱板、及び放熱板と反り補正板のろう付け接合に用いるろう材が半田以外のろう材であるのがよい。これにより、熱応力劣化の激しい半田を用いないことで、接合部のろう材の劣化の発生がなく、接合部からの放熱性の低下を防止することができる。
【００１３】
更に、第１と、第２の発明に係るパワーモジュール用基板は、反り補正板が金属製又はセラミック製からなり、４〜１２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するのがよい。これにより、反り補正板の熱膨張係数を、セラミック基板の熱膨張係数に近似させることができるので、パワーモジュール用基板の反りの発生を小さく抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＡ−Ａ’線縦断面図、裏面側平面図、図３は第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＢ−Ｂ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【００１５】
図１に示すように、第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の上表面側に、上面にパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子１２を搭載したりするための配線金属板１３が接合されて設けられている。この配線金属板１３は、熱伝導率の高い、例えば、Ｃｕや、Ａｌ等の金属板からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工等によって配線回路状態になるように形成されており、所定の場所の配線回路部の上面に搭載される半導体素子１２のパッド電極と他の配線回路部とをボンディングワイヤ１４等で接続されるために設けられている。
【００１６】
セラミック基板１１の下表面側には、半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための金属板１５が接合されて設けられている。この金属板１５は、配線金属板１３と同様の金属からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工等によって実質的に板状態に形成されている。金属板１５は、半導体素子１２から発生する熱を下方側に伝熱して放熱させるのに用いられる。また、配線金属板１３と同様の金属からなる金属板１５をセラミック基板１１に接合して、セラミック基板１１を配線金属板１３と金属板１５とで両面からサンドイッチ状態とすることは、それぞれのセラミック基板１１との接合面に熱膨張係数の差から発生する応力を互いに相殺させることができ、セラミック基板１１との接合時に発生する反りや曲がりの発生を防止している。
【００１７】
金属板１５の下表面側には、金属板１５から放熱された熱を、更に下側へ伝熱及び放熱させるための放熱板１６がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。この放熱板１６は、Ａｌ（アルミニウム）板からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工、又は機械加工等によって形成されている。また、放熱板１６と金属板１５との接合面と反対側の放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８との間の開放面には、セラミック基板１１に、配線金属板１３及び金属板１５を接合した接合体を放熱板１６に接合する時に発生する反りを矯正するための、放熱板１６の開放面の面積より接合面積が小さい反り補正板１９がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。しかも、この放熱板１６の開放面の反り補正板１９が接合される部位には、反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する凹部２０が切削加工等によって形成されて設けられており、この凹部１８に反り補正板１９がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。パワーモジュール用基板１０の放熱板１６の下方に設けられる冷却器１８は、通常、半導体素子１２からの発熱を大気中に放熱させるための空冷式や、水冷式等からなり、放熱板１６に接合材を用いて接合したり、外部から締め付けたりして接続されて設けられている。
【００１８】
なお、反り補正板１９の寸法は、特に限定されるものではなく、材料によって、厚さや、寸法が適宜最適なものに設計変更することができ、外形形状も矩形や、円形のものが適用できる。また、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反り補正板は、円形や、矩形（図示せず）等からなるリング状の反り補正板１９ａに形成することもでき、この場合には、放熱板１６の裏面側の開放面に切削加工等によって円形や、矩形等からなるリング状の凹部２０ａを設け、この凹部２０ａに反り補正板１９ａをろう材１７でろう付け接合している。なお、放熱板１６の開放面にリング状の凹部２０ａを設けた場合には、リング状の反り補正板１９ａで反りを補正すると同時に、放熱板１６の開放面の中心部に凹部２０ａが形成されなく、冷却器１８に当接する部分が広くすることができるので、半導体素子１２からの発熱を速やかに冷却器１８で放熱させることができる。
【００１９】
図３に示すように、第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０ａは、第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０と同様に、セラミック基板１１の上表面側に、上面に半導体素子１２を搭載したりするための配線金属板１３が接合されて設けられている。この配線金属板１３は、配線回路状態になるように形成され、所定の場所の配線回路部の上面に搭載される半導体素子１２のパッド電極と他の配線回路部とをボンディングワイヤ１４等で接続されるために設けられている。一方、セラミック基板１１の下表面側には、半導体素子１２から発生する熱を放熱させるための金属板１５が接合されて設けられている。この金属板１５は、配線金属板１３と同様の金属からなり、実質的に板状態に形成されている。セラミック基板１１を配線金属板１３と金属板１５とで両面からサンドイッチ状態とすることは、それぞれの接合面に熱膨張係数の差から発生する応力を互いに相殺させ、セラミック基板１１との接合時に発生する反りや曲がりの発生を防止している。
【００２０】
金属板１５の下表面側には、熱を更に下側へ伝熱及び放熱させるための放熱板１６がろう材１７でろう付け接合されて設けられている。この放熱板１６は、Ａｌ板や、Ｃｕ板等からなり、エッチングや、打ち抜きプレス加工、又は機械加工等によって形成されている。また、放熱板１６の開放面に接続される冷却器１８ａとの間の開放面には、セラミック基板１１に、配線金属板１３及び金属板１５を接合した接合体を放熱板１６に接合する時に発生する反りを矯正するための、放熱板１６の開放面の面積より接合面積が小さい反り補正板１９が放熱板１６の平面状の表面にろう材１７でろう付け接合されて設けられている。しかも、この反り補正板１９は、冷却器１８ａに切削加工等によって形成されて設ける反り補正板１９の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部２１に収納されている。
【００２１】
なお、反り補正板１９の寸法は、特に限定されるものではなく、材料によって、厚さや、寸法が適宜最適なものに設計変更することができ、外形形状も矩形や、円形のものが適用できる。また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反り補正板は、円形や、矩形（図示せず）等からなるリング状の反り補正板１９ａに形成することもでき、この場合には、放熱板１６の裏面側の平面状の開放面に反り補正板１９ａをろう材１７でろう付け接合している。そして、このリング状の反り補正板１９ａは、冷却器１８ａに形成されるリング状の切り欠き部２１に収納されている。なお、冷却器１８ａにリング状の切り欠き部２１を設けた場合には、リング状の反り補正板１９ａで反りを補正すると同時に、放熱板１６の開放面の中心部の反り補正板１９ａが接合されない部分にも冷却器１８ａを当接させることができるので、冷却器１８ａに当接する部分を広くすることができ、半導体素子１２からの発熱を速やかに冷却器１８ａで放熱させることができる。
【００２２】
ここで、パワーモジュール用基板１０、１０ａを構成するセラミック基板１１は、主成分のＡｌ２Ｏ３を７０〜９７ｗｔ％の範囲にして、これにＺｒＯ２を２〜２９．９ｗｔ％の範囲で添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を０．１〜２ｗｔ％の範囲で添加して大気中約１６００℃で焼成して形成するジルコニア系アルミナセラミック基板の焼成体からなるのがよい。Ａｌ２Ｏ３を主成分として、これに上記割合のＺｒＯ２が添加された焼成体からなるセラミック基板１１は、Ａｌ２Ｏ３単体の基板と熱伝導率を同等程度に保ちながら機械的強度、特に破壊靱性を大幅に高めることができる（Ａｌ２Ｏ３単体では、３．１ＭＰａ・ｍ０．５、ジルコニア系アルミナセラミックでは、４．４ＭＰａ・ｍ０．５）。また、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２のいずれか１種以上を添加することで、基板の焼成温度をＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度に抑えつつ、ＺｒＯ２結晶粒の靭性を改善することができる。これらによって、セラミック基板１１は、ＡｌＮの基板より熱伝導率が低下するものの、厚みを薄くすることで、熱伝導率の低さを補うことができ、Ａｌ２Ｏ３単体の基板より優れ、ＡｌＮの基板に匹敵する優れた放熱性を有することができる。
【００２３】
次いで、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１とＣｕ板からなる配線金属板１３、あるいは、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１とＣｕ板からなる金属板１５との接合は、ＤＢＣ法での接合、又は活性金属ろう材で接合するのがよい。このＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ）法での接合とは、予め表面を酸化させたＣｕ板をセラミック基板１１の表面に当接させ、Ｃｕの融点付近まで昇温してＣｕと微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合剤として焼成して直接セラミック基板１１に接合する方法である。
【００２４】
また、活性金属ろう材を用いて接合するには、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いている。そして、接合方法は、この活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板１１のそれぞれの表面にスクリーン印刷法で配線金属板１３や、金属板１５のパターンと実質的に同程度、又は若干大きめのパターンとなるように印刷し、その上に配線金属板１３や、金属板１５を当接させ、約７５０〜８５０℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板１１に接合している。活性金属ろう材は、セラミック基板１１がジルコニア系アルミナセラミックからなる場合には、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上をＡｇ−Ｃｕ系ろうに含有させたものを用いることができ、セラミック基板１１への親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
【００２５】
なお、セラミック基板１１と、配線金属板１３及び金属板１５との接合は、ＤＢＣ法、又は、活性金属ろう材接合法による場合とも、１度に、あるいは、配線金属板１３と金属板１５のそれぞれを分けて行ってもよい。熱伝導率の極めて高いＣｕ板を用いた配線金属板１３及び金属板１５は、ＤＢＣ法、又は、活性金属ろう材接合法による接合によって、セラミック基板１１に容易に強固に接合することができるので、極めて放熱性のよいパワーモジュール用基板１０、１０ａを構成することができる。
【００２６】
次いで、パワーモジュール用基板１０、１０ａを構成する配線金属板１３と、金属板１５には、Ａｌ板を用いることもできる。この場合のセラミック基板１１との接合には、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系等のろう材を用いることができ、セラミック基板に強固に接合し、良好な放熱性を確保することができる。
【００２７】
次いで、Ｃｕ板からなる金属板１５と、Ｃｕ板又はＡｌ板からなる放熱板１６とのろう付け接合、及び放熱板１６と反り補正板１９とのろう付け接合に使用するろう材１７は、半田以外の、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系や、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材のろう材１７であるのがよい。半田以外のこれらのろう材１７は、熱応力による疲労劣化が少ないので、パワーモジュール用基板に高温と低温の繰り返しの温度サイクルがあっても放熱性の低下を防止することができる。また、放熱板１６には、安価で熱伝導率の高いＣｕ板や、Ａｌ板を用いることで、放熱特性がよく、安価なパワーモジュール用基板１０、１０ａを構成することができる。
【００２８】
次いで、放熱板１６に接合する反り補正板１９は、金属製又はセラミック製からなるのがよく、その熱膨張係数は、ジルコニア系アルミナセラミックからなるセラミック基板１１の熱膨張係数に近似する４〜１２ｐｐｍ／℃の範囲にあるのがよい。反り補正板１９が金属製であれば、例えば、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール」）が熱膨張係数９．９ｐｐｍ／℃、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が熱膨張係数１１ｐｐｍ／℃で適しており、セラミック製であれば、例えば、セラミック基板１１と同等のジルコニア系アルミナセラミックが熱膨張係数７．４５ｐｐｍ／℃でよく、ＡｌＮが４．８ｐｐｍ／℃、Ａｌ２Ｏ３も７．２ｐｐｍ／℃で反りを抑制するのに優れている。なお、反り補正板１９の熱膨張係数が４ｐｐｍ／℃未満、又は、１２ｐｐｍ／℃を超えると反りの発生が大きくなり、半導体素子１２を実装する時に、半導体素子１２が搭載できない等の支障が発生する。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１とこれに従属する請求項３〜６記載のパワーモジュール用基板は、放熱板がＡｌ板からなり、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が接合され、しかも、反り補正板が反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する放熱板に設けられる凹部に接合されるので、放熱板が加工性のよいＡｌ板であるので、容易に凹部が形成できる。この凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図ることができるので、反りの少ないパワーモジュール用基板が得られ、半導体素子を容易に実装することができる。また、反り補正板は、放熱板の凹部に収納されているので、冷却器を放熱板に容易に接続することができる。更に、放熱板がＡｌ板であるので、パワーモジュール用基板を軽重量にすることができる。
【００３０】
請求項２とこれに従属する請求項３〜６記載のパワーモジュール用基板は、放熱板の開放面に接続される冷却器との間の開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が放熱板の平面状の表面に接合され、しかも、反り補正板が冷却器に設ける反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部に収納されるので、放熱板の開放面に形成した凹部には、反り補正板を接合してパワーモジュール用基板全体の熱膨張係数の差のバランスを図り、反りの少ないパワーモジュール用基板として半導体素子を容易に実装することができる。また、例えば、放熱板がＣｕ板、冷却器がＡｌ板から形成される場合には、加工が容易なＡｌ板に切り欠き部が安価に加工でき、冷却器を含めて全体的にパワーモジュール用基板を用いた装置を安価にすることができる。
【００３１】
特に、請求項３記載のパワーモジュール用基板は、セラミック基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加し、焼結して形成されたジルコニア系アルミナセラミックからなるので、Ａｌ２Ｏ３単体のセラミック基板と同等程度の焼成温度で作製でき、熱伝導率がＡｌ２Ｏ３単体の基板と同じ程度の低さを破壊靱性が高いことからの基板厚みを薄くすることで対応して放熱特性をＡｌＮと同じ程度に維持しながらＡｌＮの場合と比較して安価にすることで、ＡｌＮの場合の放熱特性を維持しながらパワーモジュール用基板を安価にすることができる。
【００３２】
また、請求項４記載のパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＣｕ板からなり、しかも、配線金属板とセラミック基板、及び金属板とセラミック基板の接合がセラミック基板にメタライズを形成しないで直接接合するＤＢＣ法、又は活性金属ろう材接合法によって接合されるので、配線金属板、及び金属板の熱伝導率が高く、高放熱特性が得られと同時に、安価である。しかも、ＤＢＣ法、又は活性金属ろう材法での接合によって、絶縁基板にＣｕ板を容易に強固に接合することができ、放熱性のよいパワーモジュール用基板にすることができる。
【００３３】
また、請求項５記載のパワーモジュール用基板は、配線金属板及び金属板がＡｌ板からなるので、熱伝導率が高く、高放熱特性が得られると同時に、軽重量で安価にすることができる。
【００３４】
また、請求項６記載のパワーモジュール用基板は、金属板と放熱板、及び放熱板と反り補正板のろう付け接合に用いるろう材が半田以外のろう材であるので、熱応力劣化の激しい半田を用いないことで、接合部のろう材の劣化の発生がなく、接合部からの放熱性の低下を防止することができる。
【００３５】
更に、請求項７記載のパワーモジュール用基板は、反り補正板が金属製又はセラミック製からなり、４〜１２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するので、反り補正板の熱膨張係数を、セラミック基板の熱膨張係数に近似させることができ、パワーモジュール用基板の反りの発生を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＡ−Ａ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【図３】第２の発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板の縦断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同パワーモジュール用基板の反り補正板の変形例のＢ−Ｂ’線縦断面図、裏面側平面図である。
【図５】従来のパワーモジュール用基板の縦断面である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：パワーモジュール用基板、１１：セラミック基板、１２：半導体素子、１３：配線金属板、１４：ボンディングワイヤ、１５：金属板、１６：放熱板、１７：ろう材、１８、１８ａ：冷却器、１９、１９ａ：反り補正板、２０、２０ａ凹部、２１：切り欠き部
Claims (7)
- セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、前記セラミック基板の下表面側に前記半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、該金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、
前記放熱板がＡｌ板からなり、該放熱板の開放面に接続される冷却器との間の該開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための前記開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が接合され、しかも、前記反り補正板が該反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する前記放熱板に設けられる凹部に接合されることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - セラミック基板の上表面側に半導体素子を搭載するための配線金属板と、前記セラミック基板の下表面側に前記半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための金属板と、該金属板からの熱を伝熱及び放熱させるための放熱板を接合して有するパワーモジュール用基板において、
前記放熱板の開放面に接続される冷却器との間の前記開放面に、接合時に発生する反りを矯正するための前記開放面の面積より接合面積の小さい反り補正板が前記放熱板の平面状の表面に接合され、しかも、前記反り補正板が前記冷却器に設ける前記反り補正板の厚さと同等以上の深さを有する切り欠き部に収納されることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、前記セラミック基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にジルコニア（ＺｒＯ２）を添加し、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）のいずれか１種以上の焼結助剤を添加し、焼結して形成されたジルコニア系アルミナセラミックからなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項１〜３のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板において、前記配線金属板及び前記金属板がＣｕ板からなり、しかも、前記配線金属板と前記セラミック基板、及び前記金属板と前記セラミック基板の接合が該セラミック基板にメタライズを形成しないで直接接合するＤＢＣ法、又は活性金属ろう材接合法によって接合されることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項１〜３のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板において、前記配線金属板及び前記金属板がＡｌ板からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項１〜５のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板において、前記金属板と前記放熱板、及び前記放熱板と前記反り補正板のろう付け接合に用いるろう材が半田以外のろう材であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項１〜６のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板において、前記反り補正板が金属製又はセラミック製からなり、４〜１２ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有することを特徴とするパワーモジュール用基板。
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