JP2014096432A

JP2014096432A - 銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP2014096432A
Application number: JP2012246222A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Nobuyuki Terasaki; 伸幸寺▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: JP6201297B2

Abstract

【課題】回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板１１と、絶縁基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面に形成された金属層１３と、を備え、金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が絶縁基板１１の他方の面に接合されて構成されており、回路層１２は、銅又は銅合金からなる銅板３０が絶縁基板１１の一方の面に接合されて構成されており、銅板３０は半導体素子３が接合されるダイパッド３２と、ダイパッド３２から延出するリード部３３と、リード部３３を連結するガイド枠と、を有しており、銅板３０のダイパッド３２が絶縁基板１１の一方の面に接合されている。
【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銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなる絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。

例えば、特許文献１には、回路層を構成する第一の金属板を銅板とし、金属層を構成する第二の金属板をアルミニウム板としたパワーモジュール用基板が提案されている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。また、金属層がアルミニウム板で構成されているので、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層において十分に緩和することができ、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。

特開２００３−１９７８２６号公報

ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板においては、絶縁基板の一方の面に銅板を接合し、絶縁基板の他方の面にアルミニウム板を接合することになる。ここで、銅板と絶縁基板を接合する際の接合温度は、アルミニウム板と絶縁基板を接合する際の接合温度よりも高温であることから、まず、銅板と絶縁基板を接合した後、アルミニウム板と絶縁基板を接合することになる。

ここで、絶縁基板の一方の面に銅板を接合した場合、銅板と絶縁基板との熱膨張係数が大きく異なることから、接合後に大きく反りが生じることになる。この状態で、絶縁基板の他方の面側にアルミニウム板を接合しようとしても、アルミニウム板と絶縁基板とが密着せず、接合を良好に行うことができないおそれがあった。
また、加圧することによって反りを矯正してアルミニウム板を接合した場合であっても、絶縁基板の一方の面と他方の面とで異なる金属が接合されることから、やはり反りが生じることになる。特に、アルミニウム板の板厚が銅板の板厚に比べて厚い場合には、反りの発生が顕著となる。
このようにパワーモジュール用基板に反りが生じた場合には、回路層上に半導体素子を接合する際、あるいは、金属層側にヒートシンクを接合する際に、接合界面に隙間が生じて、接合を良好に行うことができないおそれがあった。

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、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法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、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が前記絶縁基板の他方の面に接合されて構成されており、前記回路層は、銅又は銅合金からなる銅板が前記絶縁基板の一方の面に接合されて構成されており、前記銅板は半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記銅板の前記ダイパッドが前記絶縁基板の一方の面に接合されていることを特徴としている。

この構成の銅板付きパワーモジュール用基板においては、銅又は銅合金からなる銅板のダイパッドが前記絶縁基板の一方の面に接合されることによって回路層が構成されており、銅板のダイパッドがリード部を介してガイド枠と連結していることから、銅板の剛性を確保することにより、反りの発生が抑制されることになる。よって、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りが発生せず、半導体素子、及び、ヒートシンクを良好に接合することができる。

また、この銅板付きパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合した場合には、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又アルミニウム合金で構成された金属層が変形することによって緩和することができることから、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する回路層が銅又は銅合金で構成されているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる

ここで、前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、そのダイパッドに前記絶縁基板が接合されていることが好ましい。
この場合、銅板が帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有していることから、ダイパッド上に半導体素子を搭載し、リード部をガイド枠から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能となる。

また、前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされていることが好ましい。
この場合、比較的変形抵抗が大きい銅又は銅合金からなる回路層の厚さｔ_１が、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層の厚さｔ_２よりも薄く形成されているので、銅板付きパワーモジュール用基板における反りの発生をさらに抑制することができる。

さらに、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有し、銅又は銅合金からなる銅板を準備し、前記絶縁基板の一方の面に、前記ダイパッドを接合し、前記ダイパッドを前記絶縁基板に接合した後、前記絶縁基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することを特徴としている。

この構成の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法においては、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有する銅板に絶縁基板を接合することから、銅板の剛性を利用することができ、銅板と絶縁基板との接合体の反りの発生を抑制することができる。さらに、銅板を絶縁基板に接合した後、絶縁基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することから、アルミニウム板と絶縁基板との接合信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板に用いられる枠体の概略説明図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法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に本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０、この銅板付きパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設された銅板付きパワーモジュール用基板１０と、この銅板付きパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、銅板付きパワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４１と、を備えている。また、銅板付きパワーモジュール用基板１０及び半導体素子３は、外装樹脂６によって封止されており、後述する銅板３０のリード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように構成されている。
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めっき層（図示なし）が設けられている。

銅板付きパワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、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１及び図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１及び図２において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、銅又は銅合金からなる銅板３０が、セラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されている。
この銅板３０は、半導体素子３が接合されるダイパット３２と、このダイパッド３２から延出するリード部３３と、リード部３３を連結するガイド枠３１と、を備えている。そして、ダイパット３２が、セラミックス基板１１の一方の面に接合されて、回路層１２を構成することになる。また、この銅板３０のリード部３３が、外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置されることになる。
なお、本実施形態においては、銅板３０として、図３に示すように、複数のダイパット３２がガイド枠３１の延在方向に連結された帯材を用いている。

金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム板２３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、金属層１３となるアルミニウム板２３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ^２以下とされている。

ここで、本実施形態においては、図２に示すように、回路層１２（銅板３０のダイパット３２）の厚さｔ_１が、０．１ｍｍ≦ｔ_１≦０．６ｍｍの範囲内に設定されて、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さｔ_２が、０．６ｍｍ≦ｔ_２≦６ｍｍの範囲内に設定されており、さらに、回路層１２の厚さｔ_１と金属層１３の厚さｔ_２との関係がｔ_１＜ｔ_２とされている。なお、回路層１２の厚さｔ_１と金属層１３の厚さｔ_２との関係が、ｔ_２／ｔ_１≧２．５とされていることが好ましい。
本実施形態では、回路層１２（銅板３０のダイパット３２）の厚さｔ_１がｔ_１＝０．３ｍｍ、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さｔ_２がｔ_２＝２．０ｍｍに設定され、ｔ_２／ｔ_１＝６．６７とされている

ヒートシンク４１は、前述の銅板付きパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。
本実施形態においては、ヒートシンク４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、具体的にはＡ６０６３合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク４１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、５ｍｍに設定されている。なお、ヒートシンク４１と金属層１３とは、Ａｌ―Ｓｉ系のろう材を用いて接合されている。

以下に、前述の構成の銅板付きパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４、図５を参照して説明する。

まず、回路層１２となる銅板３０（ダイパッド３２）と、セラミックス基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）。ここで、セラミックス基板１１と回路層１２となる銅板３０（ダイパッド３２）の接合は、いわゆる活性金属ろう付け法にて行った。
本実施形態では、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側に、回路層１２となる銅板３０のダイパット３２が、活性ろう材２４を介して接合される（積層工程Ｓ１１）。なお、本実施形態においては、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２４を用いた。

この状態で、セラミックス基板１１、銅板３０（ダイパッド３２）を積層方向に９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１２）。すると、活性ろう材２４と銅板３０（ダイパッド３２）の一部とが溶融し、銅板３０（ダイパッド３２）とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は８５０℃、加熱時間は１０分とされている。

そして、銅板３０（ダイパッド３２）とセラミックス基板１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１と銅板３０（ダイパッド３２）とを接合する（凝固工程Ｓ１３）。
これにより、回路層１２が形成されることになる。

次に、セラミックス基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板２３を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。本実施形態では、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面側に、金属層１３となるアルミニウム板２３が厚さ５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される（積層工程Ｓ２１）。なお、本実施形態においては、ろう材箔２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
この状態で、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を積層方向に９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ２２）。すると、ろう材箔２５とアルミニウム板２３の一部とが溶融し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
そして、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する（凝固工程Ｓ２３）。
このような工程により、本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０によれば、銅板３０のダイパット３２がセラミックス基板１１に接合されることによって回路層１２が形成されているので、銅板３０のガイド枠３１等によって回路層１２の剛性が確保されており、この銅板付きパワーモジュール用基板１０の反りを抑制することが可能となる。よって、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３０を接合し、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合した場合であっても、銅板付きパワーモジュール用基板１０の反りを抑制できるのである。

このように反りが抑制されていることから、回路層１２の上に半導体素子３をはんだ接合した場合であっても、はんだ層２に歪みが負荷されることを抑制でき、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層１３とヒートシンク４１とを積層配置しても、これらの間に隙間が生じることがなく、金属層１３にヒートシンク４１を良好に接合することが可能となる。

また、この銅板付きパワーモジュール用基板１０の金属層１３側にヒートシンク４１を接合しているので、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム板２３からなる金属層１３が変形することによって緩和することができることから、ヒートサイクルを負荷した際のセラミックス基板１１の割れを抑制することが可能となる。
さらに、本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、半導体素子３が搭載される搭載面を有する回路層１２が銅又は銅合金で構成されているので、半導体素子３から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態においては、銅板３０のダイパット３２がセラミックス基板１１に接合されて回路層１２とされるとともに、リード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置して構成されていることから、このリード部３３を外部端子として用いることができ、パワーモジュール１等の半導体装置を簡単に構成することが可能となる。

さらに、本実施形態では、回路層１２の厚さｔ_１と金属層１３の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされているので、銅板付きパワーモジュール用基板１０における反りの発生を抑制することができる。また、比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金で構成された回路層１２によってセラミックス基板１１が必要以上に拘束されず、かつ、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム板２３で構成された金属層１３が十分に厚く、銅板付きパワーモジュール用基板１０に負荷される応力を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
本実施形態においては、回路層１２の厚さｔ_１と金属層１３の厚さｔ_２との関係が、ｔ_２／ｔ_１≧２．５とされているので、銅板付きパワーモジュール用基板１０における反りの発生を確実に抑制することができる。

また、本実施形態においては、ガイド枠３１の長手方向に複数のダイパッド３２が連結された帯材を用いているので、この銅板付きパワーモジュール用基板１０を効率よく製造することができる。

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、銅又は銅合金からなる回路層とセラミックス基板とを、いわゆる活性金属ろう付け法を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＤＢＣ法等を用いて接合してもよい。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とセラミックス基板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。

また、絶縁基板として、ＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等の他のセラミックス基板であってもよいし、樹脂等で構成されたものであってもよい。
さらに、外装樹脂、ヒートシンク等の構造についても、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のものであってもよい。

１０銅板付きパワーモジュール用基板
１１セラミックス基板（絶縁基板）
１２回路層
１３金属層
３０銅板
２３アルミニウム板

Claims

絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、
前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が前記絶縁基板の他方の面に接合されて構成されており、
前記回路層は、銅又は銅合金からなる銅板が前記絶縁基板の一方の面に接合されて構成されており、
前記銅板は半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記銅板の前記ダイパッドが前記絶縁基板の一方の面に接合されていることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板。
前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記絶縁基板が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。
前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。
絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
銅又は銅合金からなり、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板を準備し、
前記絶縁基板の一方の面に、前記ダイパッドを接合し、
前記ダイパッドを前記絶縁基板に接合した後、前記絶縁基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法。