JP2007311527A - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップと導体パターンとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化を図る。
【解決手段】セラミックス板１１の表面に、導体パターン１２がろう材１３により接合され、この導体パターン１２の表面１２ｃに半導体チップ１５が設けられるパワーモジュール用基板１４であって、導体パターン１２の外表面のうち、セラミックス板１１の表面に接合した裏面１２ｂに、セラミックス板１１の表面に向けて開口して、セラミックス板１１の表面との間に、ろう付け時の溶融したろう材を溜め込み可能なろう溜め凹部１２ｄが形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。

この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板の表面に、導体パターンがろう材により接合されたパワーモジュール用基板と、導体パターンの表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えている。このうち導体パターンは、従来では、例えば下記特許文献１に示されるように、セラミックス板の表面に導体パターンを形成するための回路板をろう付けした後に、この回路板にエッチング処理を施すことにより形成されている。
しかしながら、このようにエッチング処理により導体パターンを形成すると、この導体パターンの側面は、その表面（半導体チップ側）から裏面（セラミックス板側）に向かうに従い漸次、その導体パターンの外側に向けて拡がるような末広がり形状になるため、近年のパワーモジュールに対するさらなるコンパクト化、すなわち導体パターンを構成する導体の幅を狭くして、隣合う導体同士の間隔を狭くすることについての要求に応えることが困難であるという問題があった。
そこで、本発明者等は、母材から打ち抜いた導体パターン部材、若しくは鋳造により形成した導体パターン部材を、セラミックス板にろう付けすることによって、側面がセラミックス板の表面から略垂直に立上がった導体パターンを形成することについて検討している。
特開平１０−２４２３３０号公報

しかしながら、このようなパワーモジュール用基板の製造方法では、エッチング工程を経ないので、導体パターンの細線化は実現できるものの、この導体パターンの側面がセラミックス板の表面から略垂直に立上がっているので、エッチング処理して形成した導体パターンの側面と比べてその立上がる方向の長さが短いため、導体パターン部材をセラミックス板の表面にろう付けする際に、導体パターン部材とセラミックス板との間から溢れ出たろう材の余剰分が、その表面張力により凝集することによって、導体パターン部材の側面を伝ってこの表面に乗り上がり易くなっている。
そして、このように表面に乗り上げたろう材上にさらに半導体チップを接合すると、この接合時にろう材の組成成分の一部が溶融することがあり、半導体チップと導体パターンの表面との接合部にボイドが発生し、半導体チップと導体パターンとの接合信頼性を低下させるおそれがある。
特に、例えばろう材がＡｌ−Ｓｉ系とされてＳｉを含有し、導体パターンが純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されている場合には、導体パターンの表面に乗り上げたろう材は、この導体パターンよりも硬いうえに、パワーモジュールを使用する過程での熱サイクルによりさらに加工硬化させられることによって、導体パターンに対してその表面および側面から大きな外力を作用させ、導体パターンとセラミックス板との接合界面に大きな応力が作用し、導体パターンがセラミックス板の表面から剥離し易くなり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
また、導体パターンの表面においてろう材が乗り上げた部分に、ワイヤボンディングが施されると、ろう材は前記のように導体パターンと比べて硬いので、この部分とワイヤボンディングとの接合部における熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
さらに、導体パターンの表面に前記のように乗り上げたろう材は、視認することができ、外観品質を低減させるおそれもある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、半導体チップと導体パターンとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化を図ることができるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びに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、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に、導体パターンがろう材により接合され、この導体パターンの表面に半導体チップが設けられるパワーモジュール用基板であって、導体パターンの外表面のうち、セラミックス板の表面に接合された裏面に、セラミックス板の表面に向けて開口して、セラミックス板の表面との間に、ろう付け時の溶融したろう材を溜め込み可能なろう溜め凹部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、母材から打ち抜いた導体パターン部材、または鋳造により形成した導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、セラミックス板の表面にろう材箔を介して導体パターン部材を配置して積層体を形成する配置工程と、積層体をこの積層方向に加圧して加熱することによりろう材箔を溶融し、セラミックス板の表面に導体パターンをろう材により接合する接合工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記導体パターン形成工程は、導体パターン部材の裏面に、この裏面に開口するろう溜め凹部を形成し、前記配置工程は、前記ろう溜め凹部がセラミックス板の表面に向けて開口するように、導体パターン部材の裏面をろう材箔を介してセラミックス板の表面に載置し、その後、前記接合工程を経ることにより、本発明のパワージュール用基板を形成することを特徴とする。

この発明では、導体パターンに前記ろう溜め凹部が形成されているので、母材から打ち抜かれた導体パターン部材、または鋳造により形成した導体パターン部材をセラミックス板の表面にろう付けする際に、溶融したろう材のうち、導体パターン部材とセラミックス板との間から溢れ出た余剰分を、前記ろう溜め凹部に収納することが可能になり、導体パターン部材の側面を伝って表面に乗り上がるろう材の量を低減させることができる。したがって、導体パターンと半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりするのを防ぐことができる。
また、ろう溜め凹部がセラミックス板の表面に向けて開口し、セラミックス板の表面との間に形成される空間に、前記余剰のろう材が収納されるようになっているので、ろう溜め凹部を導体パターンに形成したことにより、この導体パターンが広幅になりパワーモジュールのコンパクト化が実現できなくなるのを防ぐことが可能になる。すなわち、例えば、エッチングにより形成された導体パターンにおいて、その側面が、表面側（半導体チップ側）から裏面側（セラミックス板側）に向かうに従い漸次、導体パターンの外側に向けて拡がるような末広がり形状とされてその長さを大きく確保した上で、この側面に凹部を形成することにより、余剰のろう材を収納できるようにすると、セラミックス板の表面に占める導体パターンの占有面積が大きくなりパワーモジュールのコンパクト化を図ることができない。

ここで、前記ろう溜め凹部は、導体パターンの、セラミックス板の表面から立上がる側面、および前記裏面に開口する切欠き部を備えてもよい。
この場合、セラミックス板の表面から前記切欠き部に到達したろう材を、このろう材に作用する自重によって、セラミックス板の表面上に落下させ易くすることが可能になる。しかも、ろう溜め凹部が導体パターンの側面および裏面の双方に開口しているので、このろう溜め凹部の、ろう材の収納量を十分に確保することが可能になり、導体パターンの表面に乗り上げるろう材の量を確実に低減させることができる。

また、前記ろう溜め凹部は、導体パターンの裏面の平面視における外周縁よりも内側に配置された溝部を備えてもよい。

さらに、前記ろう材はＡｌ−Ｓｉ系とされるとともに、前記導体パターンは純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されてもよい。
この場合、前記のパワーモジュール用基板を容易かつ確実に形成することができる。

また、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に、導体パターンがろう材により接合されたパワーモジュール用基板と、導体パターンの表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板が、本発明のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。

この発明によれば、半導体チップと導体パターンとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化を図ることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の第１実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１の表面に、例えば、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された導体パターン１２がＡｌ−Ｓｉ系のろう材１３により接合されたパワーモジュール用基板１４と、導体パターン１２の表面１２ｃに第１はんだ層１７を介してはんだ接合された半導体チップ１５と、セラミックス板１１の裏面側に接合されたヒートシンク１６とを備えている。

図示の例では、パワーモジュール用基板１４は、セラミックス板１１の裏面に導体パターン１２と同じ材質により形成された金属板１８が前記ろう材１３により接合され、この金属板１８の裏面にヒートシンク１６が第２はんだ層１９を介してはんだ接合、若しくはろう付けや拡散接合により接合された構成とされている。

セラミックス板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等により形成され、ヒートシンク１６は、純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金により形成され、第１、第２はんだ層１７、１９は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系若しくはＺｎ−Ａｌ系のはんだ材により形成されている。また、導体パターン１２は、例えば、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された母材から打ち抜いた導体パターン部材、または鋳造により形成した導体パターン部材を、セラミックス板１１にろう付けすることにより形成されている。

さらに、本実施形態では、導体パターン１２の外表面のうち、セラミックス板１１の表面に接合された裏面１２ｂに、セラミックス板１１の表面に向けて開口して、セラミックス板１１の表面との間に、ろう付け時の溶融したろう材１３を溜め込み可能なろう溜め凹部１２ｄが形成されている。図示の例では、導体パターン１２の側面１２ａは、その表面１２ｃから裏面１２ｂに向かうに従い漸次この導体パターン１２の内方に向けて凹むような傾斜面とされ、この側面１２ａの厚さ方向全域が、ろう溜め凹部１２ｄとされている。言い換えると、このろう溜め凹部１２ｄは、導体パターン１２の、セラミックス板１１の表面から立上がる側面１２ａ、および裏面１２ｂに開口する切欠き部とされている。

また、本実施形態では、導体パターン１２の表面１２ｃはその全域にわたって平坦面とされている。
以上の構成において、導体パターン１２の表面１２ｃの外周縁からセラミックス板１１の表面に向けて略垂下させた仮想線１２ｅと、ろう溜め凹部１２ｄ（側面１２ａ）と、セラミックス板１１の表面とがなす空間１２ｆに、導体パターン１２の裏面１２ｂとセラミックス板１１の表面との間に介在しているろう材１３が一体的に満たされている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材を打ち抜いて導体パターン１２と同形同大の導体パターン部材を形成する。この際、導体パターン部材の側面（導体パターン１２の側面１２ａ）、および裏面（導体パターン１２の裏面１２ｂ）の双方に開口する切欠き部としてのろう溜め凹部１２ｄを形成しておく。

すなわち、本実施形態では、母材の表裏面のうち、形成される導体パターン部材の裏面を有する裏面にろう材箔を配置しておき、この母材における導体パターン部材の形成予定部をその裏面側から押圧し、この導体パターン部材の形成予定部の外周縁部に圧縮力を作用させてろう溜め凹部１２ｄを形成するとともに、この導体パターン部材の形成予定部の外周縁にせん断力を作用させてその厚さ方向途中まで切断し、この導体パターン部材の形成予定部の外周縁に位置する前記ろう材箔を切断した後に、この導体パターン部材の形成予定部をその表面側から押圧して押し戻す。

その後、この母材の裏面とセラミックス板１１の表面とをテンプレートを挟んで対向させた状態で、導体パターン部材の形成予定部の表面をセラミックス板１１の表面に向けて押圧して母材から分離し導体パターン部材を形成するとともに、この導体パターン部材をその裏面側からテンプレートのガイド孔に挿入することにより、セラミックス板１１の表面にろう材箔と導体パターン部材とをこの順に配置する。

これにより、ろう溜め凹部１２ｄがセラミックス板１１の表面に向けて開口するように、導体パターン部材の裏面がろう材箔を介してセラミックス板１１の表面に載置される。
一方、セラミックス板１１の裏面にろう材箔を介して金属板１８を配置する。以上より、セラミックス板１１の表面に、ろう材箔と導体パターン部材とがこの順に配置され、裏面にろう材箔と金属板１８とがこの順に配置された積層体を形成する。

そして、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融後硬化させることによって、セラミックス板１１の表面に導体パターン部材をろう付けにより接合して導体パターン１２を形成し、セラミックス板１１の裏面と金属板１８とをろう付けにより接合してパワーモジュール用基板１４を形成する。

ここで、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、導体パターン１２および金属板１８を純度９９．９８％の純Ａｌ、ろう材１３をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９３ｗｔ％、Ｓｉが７ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、導体パターン１２および金属板１８を約０．４ｍｍ、ろう材箔を約１３μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、導体パターン１２は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約２８ｍｍおよび約７０ｍｍとした。また、導体パターン部材および金属板１８と、ろう材箔とは、揮発性有機媒体（オクタンジオール）により仮固定した。
そして、前記積層体を６００℃〜６５０℃の真空中に置いた状態で、約１時間、積層方向に０．２３ＭＰａ〜０．３５ＭＰａで加圧して、パワーモジュール用基板１４を形成した。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、導体パターン１２にろう溜め凹部１２ｄが形成されているので、母材から打ち抜かれた導体パターン部材、または鋳造により形成された導体パターン部材をセラミックス板１１の表面にろう付けする際に、溶融したろう材１３のうち、導体パターン部材とセラミックス板１１との間から溢れ出た余剰分を、ろう溜め凹部１２ｄに収納することが可能になり、導体パターン部材の側面（導体パターン１２の側面１２ａ）を伝って表面１２ｃに乗り上がるろう材の量を低減させることができる。
したがって、導体パターン１２と半導体チップ１５との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板１４の外観品質を低下させたりするのを防ぐことができる。

また、ろう溜め凹部１２ｄがセラミックス板１１の表面に向けて開口し、セラミックス板１１の表面との間に形成される空間１２ｆに、前記余剰のろう材１３が収納されるようになっているので、ろう溜め凹部１２ｄを導体パターン１２に形成したことにより、この導体パターン１２が広幅になりパワーモジュール１０のコンパクト化が実現できなくなるのを防ぐことが可能になる。

さらに、本実施形態では、導体パターン１２の表面１２ｃはその全域にわたって平坦面とされ、ろう溜め凹部１２ｄは、この導体パターン１２の平面視において導体パターン１２の表面１２ｃの外周縁よりも内方に位置されているので、導体パターン１２の表面１２ｃにおいて、半導体チップ１５を設けたり、ワイヤボンディングを施すことができる有効使用面積を小さくさせることなく、この導体パターン１２の側面１２ａにろう溜め凹部１２ｄを形成することが可能になる。

さらにまた、前記空間１２ｆに、セラミックス板１１の表面と導体パターン１２の裏面１２ｂとの間に介在しているろう材１３が一体的に満たされているので、導体パターン１２とセラミックス板１１との接合強度を向上させることが可能になり、この接合信頼性をより一層向上させることができる。

また、ろう溜め凹部１２ｄが、導体パターン１２の側面１２ａおよび裏面１２ｂの双方に開口する切欠き部とされているので、セラミックス板１１の表面から前記切欠き部としてのろう溜め凹部１２ｄに到達したろう材を、このろう材に作用する自重によって、セラミックス板１１の表面上に落下させ易くすることが可能になるとともに、このろう溜め凹部１２ｄの、ろう材の収納量を十分に確保することが可能になり、導体パターン１２の表面１２ｃに乗り上げるろう材の量を確実に低減させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、導体パターン部材を母材から打ち抜いて形成したが、これに代えて、鋳造により形成してもよい。

また、ろう溜め凹部１２ｄは、前記実施形態に限られるものではなく、例えば、図２に示されるように、導体パターン１２の裏面１２ｂに、この裏面１２ｂの平面視における外周縁よりも内側に配置させて形成した溝部を採用してもよい。さらに、この場合、導体パターン１２の側面１２ａは、セラミックス板１１の表面に沿った方向に対して略直交する方向に延在させるようにしてもよい。

さらに、図３に示されるように、ろう溜め凹部１２ｄとして、導体パターン１２の側面１２ａにおいて裏面１２ｂ側の部分に、この側面１２ａおよび裏面１２ｂの双方に開口する切欠き部を形成し、導体パターン１２の側面１２ａにおいて表面１２ｃ側の部分からセラミックス板１１の表面に向けて略垂下させた仮想線１２ｅと、ろう溜め凹部１２ｄと、セラミックス板１１の表面とがなす空間１２ｆに、導体パターン１２の裏面１２ｂとセラミックス板１１の表面との間に介在しているろう材１３を一体的に満たすことができるようにしてもよい。この場合、導体パターン１２の表面１２ｃはその全域にわたって平坦面とすることができる。
なお、図５に示されるように、導体パターン１２の側面１２ａにおいて表面１２ｃ側の部分にも、裏面１２ｂ側の部分に形成した前記切欠き部と同形同大の切欠き部を形成してもよい。

また、図４に示されるように、導体パターン１２の側面１２ａにおいて、表面１２ｃ側の部分に、この側面１２ａおよび表面１２ｃの双方に開口する切欠き部を形成し、この側面１２ａの厚さ方向中央部から表面１２ｃに向かうに従い漸次導体パターン１２の内側に向けて延びる第１傾斜面２１を形成するとともに、裏面１２ｂ側の部分に、側面１２ａおよび裏面１２ｂの双方に開口する切欠き部を形成し、前記厚さ方向中央部から裏面１２ｂに向かうに従い漸次導体パターン１２の内側に向けて延びる第２傾斜面２２を形成して、前記厚さ方向中央部からセラミックス板１１の表面に向けて略垂下させた仮想線２３と、第２傾斜面２２と、セラミックス板１１の表面とがなす空間２４に、導体パターン１２の裏面１２ｂとセラミックス板１１の表面との間に介在しているろう材１３を一体的に満たすことができるようにしてもよい。すなわち、前記裏面１２ｂ側の部分に形成した切欠き部により、ろう溜め凹部１２ｄを構成するようにしてもよい。

また、母材を打ち抜いて導体パターン部材を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、裏面にろう材箔が配置された母材における導体パターン部材の形成予定部に向けて打ち抜きパンチを前進移動し、この母材における導体パターン部材の形成予定部をその裏面側から押圧して、このパンチの前進移動を、導体パターン部材の形成予定部の外周縁を母材の厚さ方向全域でせん断変形させて破断するまで継続することにより母材から打ち抜いて形成してもよい。

さらに、ろう溜め凹部１２ｄとして、図１に示す切欠き部、および図３から図５に示す前記裏面１２ｂ側の部分に形成した切欠き部のいずれか１つと、図２に示す溝部との双方を導体パターン１２に形成するようにしてもよい。

半導体チップと導体パターンとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化を図る。

この発明の第１実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の第２実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の第３実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の第４実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の第５実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１２ 導体パターン
１２ａ 導体パターンの側面
１２ｂ 導体パターンの裏面
１２ｃ 導体パターンの表面
１２ｄ ろう溜め凹部
１３ ろう材
１４ パワーモジュール用基板
１５ 半導体チップ
１６ ヒートシンク

Claims (6)

1. セラミックス板の表面に、導体パターンがろう材により接合され、この導体パターンの表面に半導体チップが設けられるパワーモジュール用基板であって、
   導体パターンの外表面のうち、セラミックス板の表面に接合された裏面に、セラミックス板の表面に向けて開口して、セラミックス板の表面との間に、ろう付け時の溶融したろう材を溜め込み可能なろう溜め凹部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
   前記ろう溜め凹部は、導体パターンの、セラミックス板の表面から立上がる側面、および前記裏面に開口する切欠き部を備えることを特徴とするパワーモジュール用基板。
3. 請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板において、
   前記ろう溜め凹部は、導体パターンの裏面の平面視における外周縁よりも内側に配置された溝部を備えることを特徴とするパワーモジュール用基板。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板において、
   前記ろう材はＡｌ−Ｓｉ系とされるとともに、前記導体パターンは純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
5. 母材から打ち抜いた導体パターン部材、または鋳造により形成した導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、セラミックス板の表面にろう材箔を介して導体パターン部材を配置して積層体を形成する配置工程と、積層体をこの積層方向に加圧して加熱することによりろう材箔を溶融し、セラミックス板の表面に導体パターンをろう材により接合する接合工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記導体パターン形成工程は、導体パターン部材の裏面に、この裏面に開口するろう溜め凹部を形成し、前記配置工程は、前記ろう溜め凹部がセラミックス板の表面に向けて開口するように、導体パターン部材の裏面をろう材箔を介してセラミックス板の表面に載置し、その後、前記接合工程を経ることにより、請求項１から４のいずれかに記載のパワージュール用基板を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
6. セラミックス板の表面に、導体パターンがろう材により接合されたパワーモジュール用基板と、導体パターンの表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、
   前記パワーモジュール用基板が、請求項１から４のいずれかに記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。
   
   

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