JP2010238965A - パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面上に配設され、銅または銅合金からなる回路層１２と、を備え、セラミックス基板１１が、Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されており、回路層１２の厚さｔｃが、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、セラミックス基板１１の一方の面の面積の２５％以上６０％以下を占めるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

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、このパワーモジュール用基板の製造方法及びこのパワーモジュール基板を備えた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モジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。

また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合された冷却器付パワーモジュール用基板が提案されている。このような冷却器付パワーモジュール用基板においては、電子部品から発生した熱を効率的に放散することが可能となる。
ここで、セラミックス基板は、回路層と金属層との間の絶縁性を確保するとともに、パワーモジュール用基板全体の剛性を確保する役割を有している。

さらに、近年では、パワーモジュールユニットにおいて、電子部品の高集積化、高密度化が進められており、例えば特許文献２、３に記載されているように、ひとつのセラミックス基板に複数の回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。

特開２００１−１４８４５１号公報 特開平１０−６５０７５号公報 特開２００７−１９４２５６号公報

しかしながら、複数の回路層を形成するために、比較的サイズの大きなセラミックス基板を用いた場合には、回路層や金属層の接合時や熱サイクル負荷時において、セラミックス基板に比較的大きな反りが発生し、割れが生じるおそれがあった。つまり、面積の大きなパワーモジュール用基板を構成する際には、その剛性を確保するために大きな面積のセラミックス基板を用いる必要があるが、大きなセラミックス基板を用いると割れや反りが発生してしまうことになるのである。

特に、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板を冷却器の天板部に直接接合した冷却器付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、冷却器の天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、冷却器付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際に、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、セラミックス基板に割れや反りが発生してしまう危険性がさらに高くなる。

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、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用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、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面上に配設され、銅または銅合金からなる回路層と、を備え、前記セラミックス基板が、Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されており、前記回路層の厚さｔｃが、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、前記セラミックス基板の一方の面の面積の２５％以上６０％以下を占めるように構成されていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面に、銅または銅合金からなる回路層が形成され、この回路層の厚さｔｃが、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、前記セラミックス基板の一方の面の面積の２５％以上６０％以下を占めるように構成されているので、回路層によってパワーモジュール用基板の反りが抑制されることになる。すなわち、比較的変形抵抗の高い銅によって構成された回路層が、厚肉に、かつ、広い面積で配置されていることから、パワーモジュール用基板自体の剛性が回路層によって確保されることになるのである。
また、セラミックス基板が、Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されていることから、剛性が高く、反り、割れの発生が抑制されることになる。

なお、回路層の厚さｔｃが０．８ｍｍ未満であると、剛性が不十分となり、セラミックス基板との熱膨張係数の差によって反りが生じやすくなる。また、回路層の厚さｔｃが２．０ｍｍを超えると、回路層の剛性が過度に高くなり、熱応力がセラミックス基板に作用してセラミックス基板に割れが生じるおそれがある。よって、回路層の厚さｔｃは、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定する必要がある。

さらに、前記セラミックス基板の一方の面のうち回路層が占める割合が、前記セラミックス基板の一方の面の面積の２５％未満である場合には、セラミックス基板の反りを十分に抑制することができなくなるおそれがある。一方、前記セラミックス基板の一方の面のうち回路層が占める割合が、前記セラミックス基板の一方の面の面積の６０％を超える場合には、回路層の変形が必要以上に抑制されてセラミックス基板に熱応力が作用することになり、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。よって、前記セラミックス基板の一方の面のうち回路層が占める割合は、２５％以上６０％以下とする必要がある。

ここで、前記セラミックス基板の一方の面に、１又は２以上の前記回路層が形成されており、ひとつの前記回路層の面積が、１６ｃｍ^２以下とされていることが好ましい。
この場合、回路層の変形が必要以上に抑制されてセラミックス基板に熱応力が作用することを防止でき、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。

前記セラミックス基板が、冷却器の天板部とされることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が冷却器の天板部としても役割を有することから、セラミックス基板の一方の面に配設された回路層上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されるパワーモジュールユニットに適用することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されたセラミックス基板の一方の面に、ろう材を介して厚さ０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の銅板を積層し、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を加熱し、前記セラミックス基板と前記銅板との界面に溶融層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融層を凝固させる凝固工程と、を有することを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、銅又は銅合金からなる銅板とセラミックス基板とを接合することができ、前述のパワーモジュール用基板を製造することが可能となる。

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備える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、高集積、高密度のパワーモジュールユニットを構成することが可能となる。

本発明によれば、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用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の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの上面図である。 図１におけるＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の概略説明図である。

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、図２に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用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、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に複数配設された回路層１２と、を備えている。本実施形態においては、ひとつのセラミックス基板１１の上に、３つの回路層１２が配設されている。
回路層１２とセラミックス基板１１は、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材によって接合されている。

このセラミックス基板１１は、本実施形態では、比較的強度の高いＳｉ_３Ｎ_４で構成されており、その厚さｔｓが、０．２５ｍｍ≦ｔｓ≦０．８ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．３２ｍｍに設定されている。
また、セラミックス基板１１の面積（一方の面の面積）は、４０００ｍｍ^２以上５０００ｍｍ^２以下とされている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、１４０ｍｍ×６０〜１６０ｍｍの矩形平板状をなしており、より具体的には、１４０ｍｍ×６０ｍｍとされ、一方の面の面積が８４ｃｍ^２とされている。

回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
回路層１２の厚さｔｃは、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｃ＝１．６ｍｍに設定されている。

ひとつの回路層１２の面積（セラミックス基板１１との接合面の面積）は、１６ｃｍ^２以下に設定されており、本実施形態では９ｃｍ^２とされている。
そして、セラミックス基板１１の一方の面のうち回路層１２が占める割合が、セラミックス基板の一方の面の面積の２５％以上６０％以下となるように構成されている。すなわち、一つの回路層１２の面積が９ｃｍ^２とされ、この回路層１２が３つ配設されていることから、回路層１２がセラミックス基板１１の一方の面に占める面積が２７ｃｍ^２となる。ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面の面積が８４ｃｍ^２とされていることから、セラミックス基板１１の一方の面のうち回路層１２が占める割合が、セラミックス基板の一方の面の面積の３２％とされているのである。

以下に、前述したパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面の上に、７１ｗｔ％Ａｇ−２７．５ｗｔ％Ｃｕ−１．５ｗｔ％Ｔｉのろう材ペースト２４を塗布し、このろう材ペースト２４の上に、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２が積層され、積層体２０が形成される（積層工程）。

このようにして形成された積層体２０を、乾燥させた後に８００〜８７０℃（本実施形態では８３０℃）に加熱して、セラミックス基板１１と銅板２２との界面に溶融層を形成する（溶融工程）。次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。
これにより、セラミックス基板１１と銅板２２とを接合し、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１の一方の面に、無酸素銅からなる回路層１２が形成され、この回路層１２の厚さｔｃが、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内（本実施形態ではｔｃ＝１．６ｍｍ）に設定されるとともに、セラミックス基板１１の一方の面の面積の２５％以上６０％以下（本実施形態では３２％）を占めるように構成されているので、比較的変形抵抗の高い銅によって構成された回路層１１によってパワーモジュール用基板１０の反りが抑制される。

また、セラミックス基板１１が、比較的強度の高いＳｉ_３Ｎ_４で構成されているので、セラミックス基板１１自体の剛性が高く、反り、割れの発生が抑制される。
さらに、セラミックス基板１１の一方の面に、３つの回路層１２が形成されており、ひとつの回路層１２の面積が、１６ｃｍ^２以下とされているので、回路層１２の変形が必要以上に抑制されてセラミックス基板１１に熱応力が作用することを防止でき、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図４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用基板１１０においては、図４に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側に、冷却器用部材である放熱フィン１６２が設けられており、セラミックス基板１１１が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているのである。
また、セラミックス基板１１１は、強化Ａｌ_２Ｏ_３で構成されており、その厚さｔｓが、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦０．８ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．３２ｍｍに設定されている。
なお、強化Ａｌ_２Ｏ_３とは、通常のＡｌ_２Ｏ_３にＺｒを添加し、緻密構造としたものである。

このパワーモジュール用基板１１０は、第１の実施形態と同様にして、セラミックス基板１１１の一方の面に、ろう材ペーストを介して、複数の銅板を積層して、加熱することによって、回路層１１２を形成する。そして、セラミックス基板１１１の他方の面に複数の放熱フィン１６２を接合することによって製造される。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１１の他方の面に、放熱フィン１６２が配設され、セラミックス基板１１１が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているので、セラミックス基板１１１の一方の面に配設された回路層１１２を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層１１２上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器１６０によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されるパワーモジュールユニットに適用することができる。

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、回路層を無酸素銅からなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅または銅合金で構成されていればよい。

また、セラミックス基板の一方の面に配設するろう材ペーストをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他のろう材であってもよい。
また、セラミックス基板の一方の面に、３つの回路層を配設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、セラミックス基板の大きさ等を考慮して適宜設計変更してもよい。

また、第２の実施形態において、冷却器として天板部にフィンを立設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、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、冷却器の構造に特に限定はない。

１ パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
２４ ろう材ペースト
１６０ 冷却器
１６１ 天板部
１６２ 放熱フィン

Claims (5)

1. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面上に配設され、銅または銅合金からなる回路層と、を備え、
   前記セラミックス基板が、Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されており、
   前記回路層の厚さｔｃが、０．８ｍｍ≦ｔｃ≦２．０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、前記セラミックス基板の一方の面の面積の２５％以上６０％以下を占めるように構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. 前記セラミックス基板の一方の面に、１又は２以上の前記回路層が形成されており、
   ひとつの前記回路層の面積が、１６ｃｍ^２以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記セラミックス基板が、冷却器の天板部とされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   Ｓｉ_３Ｎ_４または強化Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかで構成されたセラミックス基板の一方の面にろう材を介して、厚さ０．８ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の銅板を積層し、積層体を形成する積層工程と、
   前記積層体を加熱し、前記セラミックス基板と前記銅板との界面に溶融層を形成する溶融工程と、
   冷却によって前記溶融層を凝固させる凝固工程と、
   を有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。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。

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