JP2012074610A - セラミックス基板、パワーモジュール用基板及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層21の間に、その赤外線透過性窒化アルミニウム層21に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層22が積層されてセラミックス基板2が形成されている。
【選択図】 図1
Description
また、特許文献1には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
上述したセラミックス基板材料の中でも、特にAlNは熱伝導性に優れており、幅広く利用されている。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上記セラミックス基板に金属層が接合されてなることを特徴とする。
タングステンは、黒色で赤外線吸収率が高く、また熱伝導率が高いため、赤外線を効率良く吸収して短時間で加熱されるとともに、その熱をセラミックス基板全体に均一に伝達することができる。また、タングステンは窒化アルミニウムと熱膨張係数が近く、加熱されても赤外線吸収層と赤外線透過性窒化アルミニウム層との間に亀裂等を生じさせにくい。
この場合、セラミックス基板と金属層との接合面の全面を確実に加熱することができる。
図1は、本発明の一実施形態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示している。この図1のパワーモジュール1は、セラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、パワーモジュール用基板3の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品4と、パワーモジュール用基板3の裏面に接合されたヒートシンク5とから構成される。
このパワーモジュール用基板3は、放熱層となる金属層7に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層6よりも肉厚に形成されたものを用いている。
これら金属層6,7は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
赤外線透過性窒化アルミニウム層21は、本来無色透明であるAlNの含有量が99質量%以上で、かつ真密度に対する相対密度が95%以上とされ、内部の気孔数が少ない透明度の高い窒化アルミニウム焼結層である。AlNの含有量が99質量%未満かつ相対密度が95%未満では、透明度が低く、所望の赤外線透過性が得られない。この赤外線透過性窒化アルミニウム層21としては、フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)の測定により40%以上の赤外線透過率を有しているものが好ましい。
赤外線吸収層22をタングステン単体又はタングステンの含有量が50質量%を超える焼結体で形成する場合は、図2に示すように、赤外線吸収層22に複数の孔22aを設けて、その孔22a内で赤外線透過性窒化アルミニウム層21同士が接合されるように構成するとよい。
これらの赤外線吸収層22については、セラミックス基板2に接合される金属層6,7の接合面の大きさ等に合わせて、上述の構成を適宜選択する。
図4に示すように、セラミックス基板2の一方の面に回路層となる金属層6をろう材箔(図示略)を介して積層し、セラミックス基板2の他方の面に放熱層となる金属層7もろう材箔を介して積層する。ろう材としては、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等の合金が使用される。この積層体40と、クッション性及び耐熱性を有するカーボン及びグラファイトの薄膜からなるクッションシート31とを、その積層方向に交互に重ねて加圧手段30の間に載置し、これらを厚さ方向(積層方向)に加圧した状態でランプ炉内に装入する。そして、この加圧状態で積層体40の側方に配置されたハロゲンランプ(赤外線発生源)32を照射して積層体40を加熱することにより、ろう付けを行う。
したがって、セラミックス基板2の両面の接合面を効率良く均一に加熱することができ、セラミックス基板と金属層とを短時間で均一に接合することができる。
上記の実施形態においては、セラミックス基板2を構成する赤外線吸収層22を赤外線透過性窒化アルミニウム層21の全面に積層した構成としていたが、部分的に積層する構成としてもよい。その場合、セラミックス基板と金属層との接合面が投影される領域に赤外線吸収層が積層されているとよく、接合面の全面を確実に加熱することができる。
また、図6に示すように、赤外線透過性窒化アルミニウム層21aに赤外線吸収層22aを埋設させて、金属層6よりも内側の中央部だけに赤外線吸収層22aを形成してもよい。この場合でも、赤外線発生源から遠くに配置されているセラミックス基板の中央部付近を、赤外線吸収層22Aaにより集中的に加熱することができ、赤外線発生源に近く比較的加熱され易い積層体の外周部付近との温度差を小さくすることができるので、より均一に積層体全体を加熱することができる。
さらに、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
また、赤外線吸収層としてはタングステンが好適に使用されるが、タングステン以外に、カーボン、Ti、Cr等を用いることも可能である。
2 セラミックス基板
3 パワーモジュール用基板
4 電子部品
5 ヒートシンク
6,7 金属層
8 はんだ接合層
21,21a 赤外線透過性窒化アルミニウム金属層
22,22a 赤外線吸収層
22a 孔
25 AlNシート
26 ペースト
27 原料シート
30 加圧手段
31 クッションシート
32 ハロゲンランプ(赤外線発生源)
40 積層体
Claims (6)
- 複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間に、その赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層が積層されていることを特徴とするセラミックス基板。
- 前記赤外線吸収層は、タングステン又はタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体で形成されていることを特徴とする請求項1記載のセラミックス用基板。
- 請求項1又は2記載のセラミックス基板に金属層が接合されてなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 前記赤外線吸収層は、前記セラミックス基板と前記金属層との接合面を投影する領域に設けられていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項3又は4に記載のパワーモジュール用基板の前記金属層に電子部品が接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
- セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間にその赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層が積層されたセラミックス基板に、前記金属層を重ねて配置し、これらの積層体を厚さ方向に複数積み重ねて加圧するとともに、前記積層体の側方に配置された赤外線発生源により加熱して接合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。
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