JP2014063984A - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】パワーサイクル性、ヒートサイクル性をさらに向上させ、より高集積化に対応できる多層構造のパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる複数の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂが第１セラミックス基板２を介して積層状態に接合されるとともに、第１セラミックス基板２に形成した貫通孔１１内に、第１セラミックス基板２の両面に配置される両回路層用金属板を接続状態とする金属部材１２が挿入され、積層状態の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂの一方側の面に第２のセラミックス基板３が接合され、第２のセラミックス基板３の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂとは反対側の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層用金属板６が接合されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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及びパワーモジュールに関する。
本願は、２０１２年８月３１日に日本国に出願された特願２０１２−１９１６０７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、導体パターン層を形成する金属板が積層され、この導体パターン層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属板が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
このパワーモジュールに用いられる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表面に金属板をろう付けにより接合している。例えば、特許文献１では、セラミックス基板の表面に揮発性有機媒体の表面張力によってろう材箔を仮固定するとともに、そのろう材箔の表面に基材から打ち抜かれた導体パターン層を仮固定した状態で加熱し、揮発性有機媒体を揮発させ、これらを厚さ方向に加圧することにより、金属板とセラミックス基板とをろう付けしたパワーモジュール用基板を形成している。
一方、この種のパワーモジュール用基板としては、絶縁基板としての機能、放熱基板としての機能の他に、近年の高集積化に伴い、配線基板としての機能も求められてきており、多層化することが検討されている。
例えば、特許文献２に開示の金属−セラミックス接合基板（パワーモジュール用基板）では、バイアホール用の貫通孔が形成された複数のセラミックス基板と、これらセラミックス基板の間に介在するアルミニウム製の金属板とが多層構造に設けられている。この場合、金属板は、鋳型の中で積み重ねたセラミックス基板に金属溶湯を流し込んで固化することにより形成されており、このため、セラミックス基板に形成しておいた貫通孔内にも金属溶湯が入り込んで固化され、その貫通孔内の金属を介してセラミックス基板の両側の金属板相互が電気的接続状態とされている。
また、特許文献３には、セラミックス基板に形成した貫通孔内に金属柱を設け、この金属柱でセラミックス基板両面の金属板を接続状態としたものが開示されている。
特許第４３１１３０３号公報 特許第４５６５２４９号公報 特許第４６４６４１７号公報
このような多層構造のパワーモジュール用基板において、さらなる高集積化に対応して、電子部品の発熱に伴う熱ストレスが頻繁に作用するため、より高いパワーサイクル性が求められ、また、環境温度変化に伴うヒートサイクル性の向上も求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パワーサイクル性、ヒートサイクル性をさらに向上させ、より高集積化に対応できる多層構造のパワーモジュール用基板及びそ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。
本発明のパワーモジュール用基板は、銅又は銅合金からなる複数の回路層用金属板が第１セラミックス基板を介して積層状態に接合されるとともに、前記第１セラミックス基板に形成した貫通孔内に、該第１セラミックス基板の両面に配置される両回路層用金属板を接続状態とする金属部材が挿入され、前記積層状態の回路層用金属板の一方側の面に第２セラミックス基板が接合され、該第２セラミックス基板の前記回路層用金属板とは反対側の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層用金属板が接合されていることを特徴とする。
第１セラミックス基板を介して積層状態とされた複数の回路層用金属板が金属部材により接続状態とされることにより、多層の回路層が形成されており、高集積の回路層を構築することができる。しかも、この回路層を熱伝導性に優れる銅又は銅合金により形成したので、搭載される半導体素子からの熱を速やかに放散することができるとともに、該半導体素子を固着するはんだ層に歪みやクラック等を生じさせることがなく、該はんだ層を長期的に健全に維持することができ、パワーサイクル性を向上させることができる。
一方、第２セラミックス基板の他方の面にはアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層用金属板を接合したので、セラミックス基板との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板の割れやクラックの発生が防止され、ヒートサイクル性を向上させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記第１セラミックス基板と第２セラミックス基板との間に配置される中段の回路層用金属板に、前記第１セラミックス基板よりも外方に突出する外部接続用リード端子部が一体に形成されているとよい。
最上段の回路層用金属板は、電子部品が搭載されるため、外部への配線のために電子回路を迂回して回路を形成する必要があるなど、これにリード端子部を形成する場合は面方向に大きくなり易いが、中段の金属板を利用する場合は、その外周のうちの適宜の位置にリード端子部を形成すればよく、平面積の拡大を抑制してパワーモジュール用基板を小型化することが可能である。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記第２セラミックス基板に前記第１セラミックス基板よりも外方に突出する突出部が形成されるとともに、前記リード端子部の少なくとも一部が前記第２セラミックス基板の突出部の上に支持されているとよい。
リード端子部にボンディングワイヤ等を接続する場合の負荷を第２セラミックス基板に一部負担させることができ、リード端子部の変形を防止することができる。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記第１セラミックス基板と前記第２セラミックス基板との間に形成される中段の回路層に、該中段の回路層の端部に開口する穴部が形成されているとよい。
本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板と、前記第１セラミックス基板の上に配置される前記回路層用金属板の上に接合された電子部品とを備え、前記放熱層用金属板の表面を除いて前記パワーモジュール用基板及び前記電子部品が樹脂モールドにより封止されていることを特徴とする。
電子部品とパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品と放熱層との間に積層された複数の基板及び金属板及び電子部品の周囲や隙間に樹脂が流し込まれ、パワーモジュール用基板に樹脂モールドを強固に保持することができ、電子部品の接合性を良好に確保することができる。
また、電子部品と反りの抑制されたパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、前記はんだ層の接合信頼性を維持することができる。
特に、中段の回路層に穴部を有する場合、樹脂が穴部にも入り込み、パワーモジュール用基板に樹脂モールドをより強固に保持することができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層用金属板に接合されたヒートシンクと、前記第１セラミックス基板の上に配置される前記回路層用金属板の上に接合された電子部品とを備え、前記パワーモジュール用基板及び前記電子部品が樹脂モールドにより封止されているとともに、前記ヒートシンクの一部が前記樹脂モールドに覆われているものとしてもよい。
本発明によれば、回路層用金属板を銅又は銅合金により形成し、放熱層用金属板をアルミニウム又はアルミニウム合金により形成したことにより、パワーサイクル性とヒートサイクル性との両方の特性を高く発揮することができ、長期的に信頼性の高い多層のパワーモジュール用基板を得ることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の第１実施形態を示す縦断面図であり、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視図に相当する。 図１のパワーモジュール用基板の平面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿う矢視平面図である。 図１の右側面図である。 図１の接合部付近を示す拡大断面図である。 一次接合時の接合前の状態を示す分解断面図である。 接合前のセラミックス基板の貫通孔と回路層用金属板の凸部との寸法関係を示す図５同様の拡大断面図である。 本発明の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。 一次接合体に放熱層用金属板を接合する前の状態を示す分解断面図である。 図１のパワーモジュール用基板に電子部品を搭載して樹脂モールドを形成したパワーモジュールの断面図である。 ヒートシンク付パワーモジュールに樹脂モールドを形成した断面図である。 接合部付近の他の例を示す図５同様の拡大断面図である。 接合部のさらに他の例を示す図５同様の拡大断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の他の実施形態である中段の回路層の構成を説明する図３同様の平面図である。 本発明のパワーモジュール用基板のさらに他の実施形態である中段の回路層の構成を説明する図３同様の平面図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
このパワーモジュール用基板１は、図１及び図２に示すように、複数のセラミックス基板２，３と、回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂと、放熱層用金属板６とが積層状態とされ、相互にろう付け等により接合されており、最上段に配置される回路層用金属板４Ａ〜４Ｅの一部（図示例では４Ｄ，４Ｅ）に電子部品７が搭載され、最下段に配置される放熱層用金属板６にヒートシンク８が接合される。
セラミックス基板２，３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等により、例えば０．３２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂは無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成され、放熱層用金属板６は純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。これら金属板の厚さは、例えば０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍとされる。
これらの接合は、後述するように２回に分けて行われ、両セラミックス基板２，３と回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂとをまず接合した後、第２セラミックス基板３に放熱層用金属板６を接合する。この場合、両セラミックス基板２，３と回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂとの接合には、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材が用いられ、第２セラミックス基板３と放熱層用金属板６との接合には、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。
また、図示例ではセラミックス基板が第１セラミックス基板２と第２セラミックス基板３との２枚用いられ、第１セラミックス基板２の両面に回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂが配置されている。最上段の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅとは反対側の回路層用金属板５Ａ，５Ｂに第２セラミックス基板３が接合され、この第２セラミックス基板３の回路層用金属板５Ａ，５Ｂとは反対側の面に放熱層用金属板６が接合されている。
また、図２及び図３に示すように、回路層用金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂは、最上段に５枚、両セラミックス基板の間の中段に２枚配置され、最下段には１枚の放熱層用金属板６が設けられている。最上段の５枚の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅは、中間の位置に１枚（４Ｃ）、その両側にそれぞれ２枚ずつ（４Ａ，４Ｂと４Ｄ，４Ｅ）配置されている。両セラミックス基板２，３の間の回路層用金属板５Ａ，５Ｂは、最上段の両側位置に配置されている金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅをそれぞれ連結し得る長さでかつ一端部が第１セラミックス基板２の端縁から突出する長さの細長い帯板状に形成され、２枚が並んで平行に配置されており、それぞれ、第１セラミックス基板２の端縁から相互に反対方向に向けて突出している。第1セラミックス基板２の上の５枚の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅにより上段の回路層が形成され、両セラミックス基板２，３の間に配置される回路層用金属板５Ａ，５Ｂにより中段の回路層が形成される。そして、この中段の回路層には、図３及び図４に示すように、両回路層用金属板５Ａ，５Ｂが間隔をあけて配置されていることにより、これら回路層用金属板５Ａ，５Ｂと両セラミックス基板２，３とに囲まれるように穴５１が形成され、その開口部５１ａが端部に開口している。
そして、最上段における両側の金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅが組になって、中 間位置の金属板４Ｃの下方で連結するように、中段の金属板５Ａ，５Ｂを介して相互に電気的接続状態とされている。
その接続形態としては、第１セラミックス基板２に４個の貫通孔１１が形成され、前述の５枚の最上段の回路層用金属板４Ａ〜４Ｅのうちの中間位置の金属板４Ｃを除く４枚の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの片面にそれぞれ凸部（本発明の金属部材に相当）１２が円柱状に一体に形成され、これら凸部１２がそれぞれ貫通孔１１内に挿入し、両セラミックス基板２，３の間の中段の金属板５Ａ，５Ｂに接合された構造とされている。この場合図５に示すように、凸部１２は、中段の金属板５Ａ，５Ｂに接合され、中段の金属板５Ａ，５Ｂへの接合部Ｐと金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ及び４Ｅの下面との中間付近が塑性変形してわずかに拡径した状態とされているが、貫通孔１１の内周面との間には隙間Ｇが形成されている。
本実施形態では、貫通孔１１を有する第１セラミックス基板２と貫通孔１１を有しない第２セラミックス基板３との２枚で構成されたパワーモジュール用基板を用いて説明したが、第１セラミックス基板２又は第２セラミックス基板３を複数枚有する構造とすることもできる。
また、中段の回路層用金属板５Ａ，５Ｂの第１セラミックス基板２から側方への突出端部は、図１の二点鎖線で示すように途中から折り曲げられ、外部接続用リード端子部１５として用いられる。
この場合、第２セラミックス基板３は第１セラミックス基板２よりも平面積が大きく形成されていることにより、第２セラミックス基板３の外周部は第１セラミックス基板２よりも外方に突出しており、リード端子部１５の一部は、第１セラミックス基板２の外方に突出している第２セラミックス基板３の突出部３ａの上面に支持されている。
次に、このように構成したパワーモジュール用基板１を製造する方法について説明する。
セラミックス基板２，３のうち、貫通孔１１を有する第１セラミックス基板２は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。その外形は焼成後に加工される。貫通孔を有しない第２セラミックス基板３は、グリーンシートを焼成した後に外形加工される。
図６及び図９に示すように、金属板４Ｃ，５Ａ，５Ｂ，６は、ろう材１３，１４をオクタンジオール等の揮発性有機媒体等により表面に仮固定しておき、プレス加工によって一体に打ち抜くことにより、ろう材箔を貼り付けた金属板としておく。この場合、最上段の金属板４Ｃの片面及び中央の金属板５Ａ，５Ｂの両面に、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材１３が貼り付けられ、最下段の金属板６には、その片面にＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材１４が貼り付けられる。
また、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅのうち、凸部１２を有する金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅは、予めプレス加工により片面に凸部１２を成形しておき、その凸部１２を除くように穴をあけたろう材箔を凸部１２の周囲の平面に貼り付けることにより形成される。
このようにして成形される凸部１２は、貫通孔１１を有するセラミックス基板２の厚さよりも大きく、図７に示すように、貫通孔１１に挿入したときにセラミックス基板２からわずかに突出する長さに設定される。セラミックス基板２の厚さの寸法ばらつきを考慮して、その公差の最大値よりも０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ大きい長さ、例えば０．０５ｍｍ大きい長さに設定される。また、凸部１２の外径Ｄ１とセラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２とは、後述する加圧時に凸部１２が拡径するので、その拡径状態でも隙間Ｇが形成されるように凸部１２の外径Ｄ１は１．０ｍｍ〜２０ｍｍ、セラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２は１．１ｍｍ〜２８ｍｍに形成される。例えば、凸部１２の外径Ｄ１が１０ｍｍ、貫通孔１１の内径Ｄ２は１３ｍｍとされる。
このようにして形成した２枚のセラミックス基板２，３及び金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、２回に分けて接合され、まず、２枚のセラミックス基板２，３と最上段の金属板４Ａ〜４Ｅ及び中段の金属板５Ａ，５Ｂとを先に接合（一次接合）し、その後に、その一次接合体に最下段の金属板６及びヒートシンク８を接合（二次接合）する。
一次接合においては、セラミックス基板２，３と最上段の金属板４Ａ〜４Ｅ及び中段の金属板５Ａ，５Ｂとを交互に重ね合わせ、金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの凸部１２を対応するセラミックス基板２の貫通孔１１に挿入した状態とし、その積層体Ｓを図８に示す加圧装置に設置する。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。
この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、例えば８５０℃のろう付け温度に加熱してろう付けする。
このろう付けにおいては、ろう材中の活性金属であるＴｉが優先的にセラミックス基板２，３の表面に拡散してＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂと接合する。
また、このろう付け時に金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの凸部１２に降伏点以上の荷重が作用するように、予め付勢手段１１５の付勢力を設定しておく。タフピッチ銅の８５０℃付近での降伏応力は３〜４ＭＰａ程度であることから、例えば、凸部１２の外径Ｄ１が１０ｍｍとすると、８５０℃の高温時に、凸部１２に２３１Ｎ以上の荷重が作用するように、常温での付勢手段１１５の付勢力を設定しておく。
このように付勢力を設定しておくことにより、ろう付け時に凸部１２が塑性変形して押しつぶされながら、中央の金属板５Ａ，５Ｂに接合するとともに、この凸部１２の周囲の金属板４Ａ〜４Ｅの平面がセラミックス基板２の表面に密接し、面方向に均一な接合状態を得ることができる。
また、接合した後の状態においても、凸部１２は部分的に拡径するが、前述したように拡径した状態で凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成される設定であるので、凸部１２が貫通孔１１の内周面に圧迫されることはない。
次いで、二次接合では、図９に示すように、最下段を構成する金属板６のろう材１４が貼り付けられた面の上に一次接合体１Ｘの第２セラミックス基板３を重ねるように積層し、前述した加圧装置１１０を用いて、これらを加圧した状態で真空中で加熱してろう付けする。この場合の加圧力としては例えば０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ２）、加熱温度としては例えば６３０℃とされる。
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１は、図１に鎖線で示すように、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅの一部に電子部品７が搭載され、最下段の金属板６にヒートシンク８が取り付けられて使用に供される。また、中段の回路層用金属板５Ａ，５Ｂの第１セラミックス基板２からの突出端部は折り曲げられて外部接続用リード端子部１５とされる。
なお、ヒートシンク８は、例えばＡ６０６３アルミニウム合金の押出成形により形成される。図示例では、紙面に直交する方向に押し出され、その押出方向に沿って帯板状にストレートのフィン２１が形成される。寸法的に限定されるものではないが、例えば５０ｍｍ角で厚さ５ｍｍの板状部２２の片面に、押出方向に沿う厚さ４ｍｍ、高さ１５ｍｍのストレート状のフィン２１が複数形成されている。このヒートシンク８は、金属板６にろう付け、ネジ止め等により固定される。なお、ヒートシンク８を金属板６にろう付けする場合は、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を用いて、加圧力としては例えば０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ２）、加熱温度としては例えば６１０℃でろう付けすることが可能である。
このパワーモジュール用基板１は、凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成されているので、使用時の温度サイクルにより熱伸縮が繰り返されても、貫通孔１１の部分での熱応力が軽減され、接合部の剥離やセラミックス基板２，３の割れ等が防止され、パワーモジュール用基板として高い信頼性を維持することができる。
また、最上段の金属板４Ｄ，４Ｅに搭載されている電子部品７で発生する熱は、その金属板４Ｄ，４Ｅから凸部１２を経由して中央の金属板５Ａ，５Ｂにも熱伝達されるが、凸部１２が電子部品７の直下に配置される場合は、金属板４Ｄ，４Ｅから凸部１２を介して直線的に中央の金属板５Ａ，５Ｂに熱伝達され、速やかに放熱することができる。この放熱性を高めるためには凸部１２の外径Ｄ１は大きい方がよく、例えば電子部品７の投影面積よりも大きい横断面積であると、凸部１２の延長上に電子部品７を搭載すれば優れた放熱性を発揮する。また、パワーモジュールとしても大電流が流れるので、大きい断面積の凸部１２の方が電流密度が小さくなるので好ましい。
なお、図３に示すように中央の複数の金属板５Ａ，５Ｂにより回路を分割して構成する場合、前述した特許文献２記載のように金属溶湯を流し込む方法では、製造上の困難性があるが、本発明の方法では中央の金属板により回路を分割する形態も容易に製造することができる。この場合、両金属板５Ａ，５Ｂの対向側縁をＬ字形等に屈曲状態とすることも可能であり、その形状の他、中段の金属板の枚数等も任意に設定することができ、設計の自由度が高まり、高集積化に有利である。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板に電子部品を搭載したパワーモジュールにおいて、電子部品の固定、絶縁等の目的で、樹脂モールドにより封止することも可能である。
図１０は、樹脂モールドを形成したパワーモジュールを示しており、このパワーモジュール５５は、放熱層用金属板６の表面を除いて、パワーモジュール用基板１と電子部品７とがエポキシ樹脂等の樹脂モールド５６によって樹脂封止されている。これにより、電子部品７と放熱層用金属板６との間に積層された複数のセラミックス基板２，３及び回路層用金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ，５Ａ，５Ｂ及び電子部品７の周囲や隙間に樹脂が流し込まれ、パワーモジュール用基板１に樹脂モールド５６を強固に保持することができ、電子部品７の接合性を良好に確保することができる。前述したように、中段の回路層には、両回路層用金属板５Ａ，５Ｂの間に端部に開口する穴部５１が形成されているので、この穴部５１にも樹脂が入り込み、樹脂モールド５６をより強固に保持することができる。
図１１は、ヒートシンクを取り付けた状態のヒートシンク付パワーモジュールに樹脂モールドを形成した実施形態を示している。このヒートシンク付パワーモジュール６１においては、樹脂モールド６２は、電子部品７及びパワーモジュール用基板１を一体に覆うとともに、ヒートシンク８の一部、具体的には放熱層用金属板６に接合しているヒートシンク８の天板部分を覆うように設けられている。
ヒートシンク８との接合部分も樹脂モールド６２により覆われるので、全体として強固に一体化される。
なお、本発明は上記実施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、二次接合では、最下段を構成する放熱層用金属板６の片面に蒸着等により厚さ０．４μｍ程度の銅層を形成しておき、その上に一次接合体１Ｘの第２セラミックス基板３を積層して、これらを過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）により接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、金属板６の表面に蒸着させた銅層が金属板６とセラミックス基板３との界面に介在しており、加熱により、その銅がまず金属板６のアルミニウム中に拡散し、その金属板６の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、これにより、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板３と一定温度で一定時間接触し反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより金属板６とセラミックス基板３との強固な接合が得られ、凝固が進行した後に、常温にまで冷却する。その際の加圧力としては９８ｋＰａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）〜３．４ＭＰａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）とされ、１０−３〜１０−６Ｐａの真空中で、６００℃で０．５時間加熱される。
また、この過渡液相接合法を用いて、セラミックス基板３と金属板６の接合と、金属板６とヒートシンク８の接合とを同時に行うことも可能である。
さらに、金属板に凸部を一体に形成した実施形態として説明したが、図１２に示すように、柱状の金属部材３１を金属板４，５とは別に形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１内に金属部材３１を配置して、その両端面を両金属板４，５に接合させるものとしてもよい。この場合は、金属部材３１の両端面に接合部Ｐが形成される。
さらに、図１３に示すように、両金属板４，５にそれぞれ凸部（金属部材）１２Ａ，１２Ｂを形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１の長さの途中位置で接合される構成としてもよい。この場合は、貫通孔１１の途中位置に接合部Ｐが形成される。
また、この金属部材は円柱状でなく、横断面多角形の柱状に形成し、貫通孔も同様の多角形とすることにより、貫通孔内で金属部材を回り止めすることが可能になり、多層構造とする場合の金属板の位置決めを容易にすることができる。
また、各実施形態ではセラミックス基板を２枚で金属板を３層構造としたが、これに限らず、セラミックス基板を３枚以上として金属板を積層してもよい。
さらに、本実施形態では、貫通孔１１を有する第１セラミックス基板２は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得たが、焼成後のセラミックにレーザー加工等によって貫通孔１１を形成してもよい。
さらに、本実施形態では、中段の回路層用金属板５Ａ，５Ｂを図３に示すように細長い帯板状に形成したが、図１４に示すように平面視Ｌ字状に屈曲成形することもでき、その屈曲部分を対峙させるようにして並べることで、屈曲する穴５１を形成することもできる。また、中段の回路層の端部に開口する穴５１は、回路層の一方の端部から他方の端部に貫通する構成に限られるものではなく、図１５に示すように一枚の回路層用金属板５の端部に切欠された穴５１とすることもできる。この場合も、樹脂が穴５１に入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板に樹脂モールドを強固に保持することができる。
さらに、ヒートシンクも実施形態のような押出加工によるストレートフィン付きの形状以外に、鍛造等により形成したピン状フィンを有するもの、放熱板と呼ばれる板状のものとしてもよく、本発明では、これら種々のタイプのものを合わせてヒートシンクと定義する。
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられ、多層化したことにより、高集積化に対応できるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに適用することができる。
１ パワーモジュール用基板
１Ｘ 一次接合体
２ 第１セラミックス基板
３ 第２セラミックス基板
４Ａ〜４Ｅ 回路層用金属板（上段の回路層）
５，５Ａ，５Ｂ 回路層用金属板（中段の回路層）
６ 放熱層用金属板
７ 電子部品
８ ヒートシンク
１１ 貫通孔
１２ 凸部（金属部材）
１３，１４ ろう材
１５ 外部接続用リード端子部
２１ フィン
２２ 板状部
３１ 金属部材
５１ 穴部
５１ａ 開口部
５５ パワーモジュール
５６ 樹脂モールド
６１ ヒートシンク付パワーモジュール
６２ 樹脂モールド
１１０ 加圧装置
Ｇ 隙間
Ｐ 接合部
Ｓ 積層体

Claims (6)

  1. 銅又は銅合金からなる複数の回路層用金属板が第１セラミックス基板を介して積層状態に接合されるとともに、前記第１セラミックス基板に形成した貫通孔内に、該第１セラミックス基板の両面に配置される両回路層用金属板を接続状態とする金属部材が挿入され、前記積層状態の回路層用金属板の一方側の面に第２セラミックス基板が接合され、該第２セラミックス基板の前記回路層用金属板とは反対側の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層用金属板が接合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. 前記第１セラミックス基板と第２セラミックス基板との間に配置される中段の回路層用金属板に、前記第１セラミックス基板よりも外方に突出する外部接続用リード端子部が一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
  3. 前記第２セラミックス基板に前記第１セラミックス基板よりも外方に突出する突出部が形成されるとともに、前記リード端子部の少なくとも一部が前記第２セラミックス基板の突出部の上に支持されていることを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール用基板。
  4. 前記第１セラミックス基板と前記第２セラミックス基板との間に形成される中段の回路層に、該中段の回路層の端部に開口する穴部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のパワーモジュール用基板。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のパワーモジュール用基板と、前記第１セラミックス基板の上に配置される前記回路層用金属板の上に接合された電子部品とを備え、前記放熱層用金属板の表面を除いて前記パワーモジュール用基板及び前記電子部品が樹脂モールドにより封止されていることを特徴とするパワーモジュール。
  6. 請求項１〜４のいずれか一項記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層用金属板に接合されたヒートシンクと、前記第１セラミックス基板の上に配置される前記回路層用金属板の上に接合された電子部品とを備え、前記パワーモジュール用基板及び前記電子部品が樹脂モールドにより封止されているとともに、前記ヒートシンクの一部が前記樹脂モールドに覆われていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
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