JP2015225948A - パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミック基板のクラックの発生や、強度低下を防止することができるパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミック基板１１に、銅板１３を接合するパワーモジュール用基板１０において、銅板１３角部のアール１２の中点１４と中心１５を結ぶ第１の直線１６上に中点１４から中心１５までの距離より短い位置を中心１５ａとする第１の貫通孔１７と、この直線上に中点１４から中心１５までの距離より長い位置を中心１５ｂとする第２の貫通孔１８と、辺部外縁と平行する第２の直線１９上に、中心１５ｂから中心１５ａと、中心１５ｂ間の距離と同等の位置を中心１５ｃとする第３の貫通孔２０と、一方と他方の角部に設ける第３の貫通孔２０の間に中心１５ｄとする複数個の第４の貫通孔２１と、第２の直線１９より中央側で平行する第３の直線２２上に中心１５ｅとする複数個の第５の貫通孔２３を有する。
【選択図】図１
【解決手段】セラミック基板１１に、銅板１３を接合するパワーモジュール用基板１０において、銅板１３角部のアール１２の中点１４と中心１５を結ぶ第１の直線１６上に中点１４から中心１５までの距離より短い位置を中心１５ａとする第１の貫通孔１７と、この直線上に中点１４から中心１５までの距離より長い位置を中心１５ｂとする第２の貫通孔１８と、辺部外縁と平行する第２の直線１９上に、中心１５ｂから中心１５ａと、中心１５ｂ間の距離と同等の位置を中心１５ｃとする第３の貫通孔２０と、一方と他方の角部に設ける第３の貫通孔２０の間に中心１５ｄとする複数個の第４の貫通孔２１と、第２の直線１９より中央側で平行する第３の直線２２上に中心１５ｅとする複数個の第５の貫通孔２３を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が接合され、大量の熱を発生する半導体素子を銅板上に搭載した時のセラミック基板と銅板の接合信頼性を向上できるパワーモジュール用基板に関する。
従来より、パワーモジュール用基板は、大電流を流すことで高熱発生が伴う高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱して半導体素子の信頼性を維持できるようにして民生用機器や、自動車、電気自動車等の車載用等に用いられている。
図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来のパワーモジュール用基板５０は、セラミック基板５１の一方の主面に回路パターン状の回路銅板５２と、他方の主面にベタ状のベタ銅板５３を接合している。このパワーモジュール用基板５０は、予めパターン形成がされた回路銅板５２や、ベタ銅板５３を銅の融点を利用して直接加熱接合する直接接合法や、活性金属ろうを介して加熱接合する活性金属ろう材接合法で接合して作製している。あるいは、パワーモジュール用基板５０は、セラミック基板５１にパターンが形成されていない全面銅板を直接接合法や、活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、銅板をエッチングして所望のパターンの回路銅板５２や、ベタ銅板５３にすることで作製している。
上記のパワーモジュール用基板５０は、回路銅板５２の中の所定の銅板上に搭載する半導体素子５４をボンディングワイヤ５５を介して回路銅板５２の中の他の銅板と電気的に導通状態とし、更に他の銅板を介して外部と電気的に導通状態としている。そして、パワーモジュール用基板５０は、半導体素子５４に大電流を流すことで発生する高熱をセラミック基板５１を介してベタ銅板５３側に伝熱し、更にベタ銅板５３から放熱できるようにしている。このパワーモジュール用基板５０は、回路銅板５２に大電流を流すことができるようにするために銅板の厚みが厚くなっていると共に、セラミック基板５１の両主面のそれぞれに銅板を接合するときのセラミック基板５１と銅板の熱膨張係数差による反りの発生を防止するためにベタ銅板５３の厚みも同じような厚みとなっている。
しかしながら、セラミック基板５１に厚みの厚い銅板を接合したパワーモジュール用基板５０には、半導体素子５４に大電流を流したり、切断したりすることで、加熱と、冷却の温度サイクルが繰り返され、セラミック基板５１と銅板の熱膨張係数差に起因する熱応力を発生させている。この熱応力は、接合部付近のセラミック基板５１に、圧縮と引っ張りの残留応力分布として存在し、特に、銅板の端部と近接するセラミック基板５１部分に残留応力の主応力が作用している。そして、この残留応力は、この応力のうちの引っ張り成分としての最大応力値がセラミック基板５１の引っ張り強度を超えるとセラミック基板５１にクラックを発生させ、更には回路銅板５２や、ベタ銅板５３のセラミック基板５１からの剥離を発生させている。また、パワーモジュール用基板５０は、通常、ベタ銅板５３をセラミック基板５１の他方の主面にセラミック基板５１の端部より所定の間隔を設けて、全面に接合しているので、加熱と、冷却の温度サイクルによる収縮が大きく、セラミック基板５１のクラック発生の要因となっている。
これに対応するために、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来のパワーモジュール用基板５０には、セラミック基板５１の表面に接合された回路銅板５２及び／又はベタ銅板５３の外周囲にＵ字状の溝５６（図４（Ａ）参照）や、階段状の段差５７（図４（Ｂ）参照）や、貫通又は非貫通の孔５８（図４（Ｃ）参照）を設けることで、加熱と、冷却の温度サイクルによる収縮を緩和させるものがある。
従来のパワーモジュール用基板には、セラミック基板と、このセラミック基板の少なくとも表面に接合された銅板とを具備するパワーモジュール用基板において、銅板のセラミック基板との接合面と反対面側の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に複数の孔が形成されているのが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
これによると、冷熱サイクルが付加された場合等においても、セラミック基板のクラック発生や強度低下を有効に防止することができ、しかも製造工程的に有利な機械加工（プレス加工）によっても銅板の変形を防止し得る、信頼性に優れたパワーモジュール用基板を提供することができるとしている。
これによると、冷熱サイクルが付加された場合等においても、セラミック基板のクラック発生や強度低下を有効に防止することができ、しかも製造工程的に有利な機械加工（プレス加工）によっても銅板の変形を防止し得る、信頼性に優れたパワーモジュール用基板を提供することができるとしている。
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような問題がある。
（１）セラミック基板の表面に接合された銅板の外周囲にＵ字状の溝、階段状の段差、又は孔を設ける、あるいは、特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、銅板である金属板のコーナーに特段の円弧形状のアールがなくて直角となっているので、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが付加された時に銅板のコーナーと近接するセラミック基板部分に残留応力が集中して作用し、銅板のコーナーと近接するセラミック基板部分に発生するクラックや、強度低下を防止することができなくなっている。
（２）特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、例え、銅板のコーナーに円弧形状のアールを設けたとしても、銅板の角部に設ける貫通孔が銅板のコーナーから遠ざかる中心部側となるので、銅板の角部に設ける貫通孔の中心間を直線とする辺部に、所定の間隔で複数個設ける貫通孔が銅板縁部から遠ざかることとなっている。従って、このような貫通孔を設けるパワーモジュール用基板では、銅板辺部の縁部と近接するセラミック基板部分の残留応力を分散できなくなり、セラミック基板の辺部に発生するクラックの発生や、強度低下を防止することができなくなっている。
（３）また、特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、銅板の角部や、辺部に設ける貫通孔をセラミック基板と接合する前の銅板に機械加工で設けているので、貫通孔を銅板の縁部に近接させて設けることが難しく、銅板の縁部と近接するセラミック基板部分の残留応力を分散できなくなり、セラミック基板のクラックの発生や、強度低下を防止することができなくなっている。
（１）セラミック基板の表面に接合された銅板の外周囲にＵ字状の溝、階段状の段差、又は孔を設ける、あるいは、特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、銅板である金属板のコーナーに特段の円弧形状のアールがなくて直角となっているので、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが付加された時に銅板のコーナーと近接するセラミック基板部分に残留応力が集中して作用し、銅板のコーナーと近接するセラミック基板部分に発生するクラックや、強度低下を防止することができなくなっている。
（２）特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、例え、銅板のコーナーに円弧形状のアールを設けたとしても、銅板の角部に設ける貫通孔が銅板のコーナーから遠ざかる中心部側となるので、銅板の角部に設ける貫通孔の中心間を直線とする辺部に、所定の間隔で複数個設ける貫通孔が銅板縁部から遠ざかることとなっている。従って、このような貫通孔を設けるパワーモジュール用基板では、銅板辺部の縁部と近接するセラミック基板部分の残留応力を分散できなくなり、セラミック基板の辺部に発生するクラックの発生や、強度低下を防止することができなくなっている。
（３）また、特開平８−２５０８２３号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、銅板の角部や、辺部に設ける貫通孔をセラミック基板と接合する前の銅板に機械加工で設けているので、貫通孔を銅板の縁部に近接させて設けることが難しく、銅板の縁部と近接するセラミック基板部分の残留応力を分散できなくなり、セラミック基板のクラックの発生や、強度低下を防止することができなくなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基板のクラックの発生や、強度低下を防止することができるパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板は、四角形状のセラミック基板の両主面のそれぞれに、コーナーに円弧形状のアールを備える１又は複数枚の銅板を接合するパワーモジュール用基板において、銅板角部のアールの中点と円弧形状の中心を結ぶ第１の直線上に設けられ、アールの中点からの距離が円弧形状の中心までの距離より短い位置を中心とする第１の貫通孔と、銅板角部のアールの中点と第１の貫通孔の中心を結んで延設する第１の直線上に設けられ、アールの中点からの距離が円弧形状の中心までの距離より長い位置を中心とする第２の貫通孔と、第１、第２の貫通孔に隣接し銅板の直線状の辺部外縁と平行して延設する第２の直線上に設けられ、辺部外縁から第２の直線上までの距離がアールの中点から第１の貫通孔の中心までの距離と同等で、且つ辺部外縁の延設線から第１の貫通孔の中心までの距離より短いと共に、第２の貫通孔の中心からの距離が第１、第２の貫通孔の中心間距離と同等の位置を中心とする第３の貫通孔と、銅板の辺部外縁と平行して延設する第２の直線上の銅板の一方の角部と他方の角部に設ける第３の貫通孔の中心間に複数個が設けられ、第１の貫通孔の中心と第３の貫通孔の中心間距離と近似する距離を隣接する中心間距離とする位置を中心とする第４の貫通孔と、第２の直線より銅板の中央側で第２の直線と平行すると共に、第２の直線から第２の貫通孔の中心までの距離より短い位置に延設する第３の直線上に複数個が設けられ、第３の貫通孔の中心と第４の貫通孔の中心間、及び隣接する第４の貫通孔の中心間で千鳥構造となる位置を中心とする第５の貫通孔を有する。
ここで、上記のパワーモジュール用基板において、第１〜第５の貫通孔の孔径は、実質的に同一であるのがよい。
また、上記のパワーモジュール用基板において、第１〜第５の貫通孔は、セラミック基板に銅板を接合した後に、エッチング加工により形成された孔であるのがよい。
上記のパワーモジュール用基板は、銅板角部のアールの中点と円弧形状の中心を結ぶ第１の直線上に設けられ、アールの中点からの距離が円弧形状の中心までの距離より短い位置を中心とする第１の貫通孔と、銅板角部のアールの中点と第１の貫通孔の中心を結んで延設する第１の直線上に設けられ、アールの中点からの距離が円弧形状の中心までの距離より長い位置を中心とする第２の貫通孔と、第１、第２の貫通孔に隣接し銅板の直線状の辺部外縁と平行して延設する第２の直線上に設けられ、辺部外縁から第２の直線上までの距離がアールの中点から第１の貫通孔の中心までの距離と同等で、且つ辺部外縁の延設線から第１の貫通孔の中心までの距離より短いと共に、第２の貫通孔の中心からの距離が第１、第２の貫通孔の中心間距離と同等の位置を中心とする第３の貫通孔と、銅板の辺部外縁と平行して延設する第２の直線上の銅板の一方の角部と他方の角部に設ける第３の貫通孔の中心間に複数個が設けられ、第１の貫通孔の中心と第３の貫通孔の中心間距離と近似する距離を隣接する中心間距離とする位置を中心とする第４の貫通孔と、第２の直線より銅板の中央側で第２の直線と平行すると共に、第２の直線から第２の貫通孔の中心までの距離より短い位置に延設する第３の直線上に複数個が設けられ、第３の貫通孔の中心と第４の貫通孔の中心間、及び隣接する第４の貫通孔の中心間で千鳥構造となる位置を中心とする第５の貫通孔を有するので、銅板角部に円弧形状のアールと、銅板の外周部全周に外縁から均等の距離で、隣接間が略均等間隔に貫通孔と、を設けることができ、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが付加された時に集中する銅板と近接するセラミック基板部分に発生する残留応力を防止でき、セラミック基板のクラックの発生や、強度低下を防止することができる。
特に、上記のパワーモジュール用基板は、第１〜第５の貫通孔の孔径は、実質的に同一であるので、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが付加された時に集中する銅板の外周囲部分で接合するセラミック基板部分に発生する残留応力を効果的に防止することができる。
また、特に、上記のパワーモジュール用基板は、第１〜第５の貫通孔は、セラミック基板に銅板を接合した後に、エッチング加工により形成された孔であるので、それぞれの銅板の外周囲に近接する所望する位置に容易に第１〜第５の貫通孔を設けるパワーモジュール用基板を提供することができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、ジルコニア入りアルミナ等のセラミックからなる四角形状のセラミック基板１１を有している。また、このパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の両主面のそれぞれには、コーナーに円弧形状のアール１２を備える様々な形状からなる１又は複数枚の銅板１３を接合して有している。そして、パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の一方の主面に複数枚の銅板１３で回路パターンを形成し、セラミック基板１１の他方の主面にベタ状の銅板１３を接合して有している。このパワーモジュール用基板１０は、通常、セラミック基板１１の両主面にパターンが形成されていない全面銅板を直接接合法や、活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、両主面の全面銅板のそれぞれをエッチングしてコーナーに円弧形状のアール１２を備える所望の回路パターン状や、ベタ状の銅板１３にしている。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、ジルコニア入りアルミナ等のセラミックからなる四角形状のセラミック基板１１を有している。また、このパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の両主面のそれぞれには、コーナーに円弧形状のアール１２を備える様々な形状からなる１又は複数枚の銅板１３を接合して有している。そして、パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の一方の主面に複数枚の銅板１３で回路パターンを形成し、セラミック基板１１の他方の主面にベタ状の銅板１３を接合して有している。このパワーモジュール用基板１０は、通常、セラミック基板１１の両主面にパターンが形成されていない全面銅板を直接接合法や、活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、両主面の全面銅板のそれぞれをエッチングしてコーナーに円弧形状のアール１２を備える所望の回路パターン状や、ベタ状の銅板１３にしている。
上記の全面銅板の直接接合法とは、予め表面を酸化させた銅板を酸化性セラミック基板１１に当接させ、窒素雰囲気中で焼成して酸化銅の融点（１０８３℃）付近まで昇温して銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合材として直接セラミック基板１１に接合する方法である。なお、直接接合法では、セラミック基板１１がＡｌＮからなる場合に、ＡｌＮの表面に酸化膜が存在しないので、セラミック基板１１の表面に酸化膜を形成、すなわち、ＡｌＮの表面をＡｌ２Ｏ３としておく必要がある。
また、上記の全面銅板の活性金属ろう材接合法とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、所謂、活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いてセラミック基板１１と銅板を接合する方法である。この接合は、活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板１１の表面に塗布し、その上に予め表面を酸化させた銅板と当接させ、７５０℃〜８５０℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して直接セラミック基板１１に接合している。なお、活性金属ろう材接合法では、セラミック基板１１がジルコニア系アルミナからなる場合に、Ａｇ−Ｃｕ系ろうに、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上を含有させたものを用いることができ、セラミック基板１１への親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
更に、上記のエッチングは、先ず、全面銅板上に所望形状の回路パターン状や、ベタ状の銅板１３となるエッチングレジスト膜をスクリーン印刷、又はフォトレジスト法で形成している。なお、エッチングレジスト膜には、前述した銅板１３のコーナーに円弧形状のアール１２を設けるためのパターンや、後述する所望する銅板１３の外周部に貫通孔を設けるためのパターン等も含んでいる。
次に、エッチングレジスト膜を設けた全面銅板上には、塩化第２鉄を３０〜４０重量％含む水溶液からなるエッチング液を噴射してエッチングレジスト膜で覆われていない部分の銅板部を除去している。そして、更に、銅板１３からエッチングレジスト膜を剥離することで、セラミック基板１１に所望の回路パターン状や、ベタ状の銅板１３を接合して備えるパワーモジュール用基板１０を作製している。
図２に示すように、上記のパワーモジュール用基板１０は、所望の銅板１３の角部に、円弧形状のアール１２の中点１４と、アール１２の円弧形状の中心１５を結んで４５°の角度で延設する第１の直線１６上に第１の貫通孔１７の中心１５ａを有している。この第１の貫通孔１７の中心１５ａは、アール１２の中点１４からの距離Ａがアール１２の中点１４からアール１２の半径である円弧形状の中心１５までの距離Ｒより短い距離（Ａ＜Ｒ）の位置となっている。また、第１の貫通孔１７の中心１５ａのアール１２の中点１４からの距離Ａは、第１の貫通孔１７の孔径寸法やエッチング精度等によって異なるが、第１の貫通孔１７と、アール１２の中点１４が銅板１３強度を保持して近接できる位置になるような距離としている。
また、パワーモジュール用基板１０は、上記の銅板１３の角部に、コーナーのアール１２の中点１４と、第１の貫通孔１７の中心１５ａを結んで延設する直線である上記と同じ第１の直線１６上に第２の貫通孔１８の中心１５ｂを有している。この第２の貫通孔１８の中心１５ｂは、アール１２の中点１４からアール１２の半径である円弧形状の中心１５までの距離Ｒより長く、第１の貫通孔１７の孔径と孔径どうしが交差しないと共に、銅板１３強度を保持して近接できる第１の貫通孔１７の中心１５ａから距離Ｂの位置となっている。すなわち、第２の貫通孔１８の中心１５ｂは、アール１２の中点１４からの距離が距離（Ａ＋Ｂ）の位置となっている。
このパワーモジュール用基板１０は、上記の第１、第２の貫通孔１７、１８に隣接し、銅板１３の直線状の辺部外縁と平行して延設する第２の直線１９上に第３の貫通孔２０の中心１５ｃを有している。この第２の直線１９の辺部外縁からの距離は、コーナーのアール１２の中点１４から第１の貫通孔１７の中心１５ａまでの距離Ａと同等で、且つ辺部外縁の延設線から第１の貫通孔１７の中心１５ａまでの距離Ａ’より短い距離（Ａ＜Ａ’）となっている。そして、第３の貫通孔２０の中心１５ｃは、第２の貫通孔１８の中心１５ｂからの距離が第１の貫通孔１７の中心１５ａから第２の貫通孔１８の中心１５ｂまでの距離である距離Ｂの位置となっている。第２の直線１９の辺部外縁からの距離Ａは、第１の貫通孔１７の場合と同様に、第３の貫通孔２０の孔径寸法やエッチング精度等によって異なるが、第３の貫通孔２０と銅板１３の辺部外縁との間の銅板１３で強度を保持して近接できる位置になるような距離となっている。
また、パワーモジュール用基板１０は、上記の銅板１３の辺部外縁と平行して延設する上記の第２の直線１９上の銅板１３の一方の角部と、他方の角部に設けるそれぞれの第３の貫通孔２０の中心１５ｃ間距離Ｘの間に複数個の第４の貫通孔２１の中心１５ｄを有している。この第４の貫通孔２１の中心１５ｄは、第１の貫通孔１７の中心１５ａと、第３の貫通孔２０の中心１５ｃ間との距離と最も近似する距離で整数個が得られるピッチ間距離Ｚの位置となっている。なお、第４の貫通孔２１の中心１５ｄは、銅板１３の外形寸法が縦方向と、横方向で異なる場合には、それぞれの方向に対してのピッチ間距離Ｚの位置となっている。また、第４の貫通孔２１は、第３の貫通孔２０の場合と同様に、第４の貫通孔２１の孔径寸法やエッチング精度等によって異なるが、第４の貫通孔２１と銅板１３の辺部外縁との間の銅板１３で強度を保持して近接できる位置になるような距離となっている。また、
上記の第２の直線１９上の銅板１３の一方の角部と、他方の角部に設けるそれぞれの第３の貫通孔２０の中心１５ｃ間距離Ｘは、銅板１３の外形寸法をＷとした場合に、下記の数式１によって求めることができる。
更に、上記のパワーモジュール用基板１０は、上記第２の直線１９より銅板１３の中央側で第２の直線１９と平行すると共に、第２の直線１９から第２の貫通孔１８の中心１５ｂまでに距離より短い位置に延設する第３の直線２２上に複数個の第５の貫通孔２３の中心１５ｄを有している。この第５の貫通孔２３の中心１５ｄは、第３の貫通孔２０の中心１５ｃと第４の貫通孔２１の中心１５ｄ間、及び隣接する第４の貫通孔２１の中心１５ｄ間の中間に位置し、それぞれとの間で千鳥構造となる位置となっている。なお、第２の直線１９と第３の直線２２との間隔は、第５の貫通孔２３の孔径が第３の貫通孔２０や、第４の貫通孔２１の孔径と孔径どうしが交差しないと共に、銅板１３強度を保持して近接できるような位置に設けている。
なお、上述した、第１、第２、第３の直線１６、１９、２２は、実際に銅板１３上に引かれた線ではなく、第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３の中心１５ａ〜１５ｅの位置を特定するための仮想線を意味している。同様に、円弧形状のアール１２の中点１４、アール１２の円弧形状の中心１５、及び第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３の中心１５ａ〜１５ｅは、実際に銅板１３上に書かれた点ではなく、それぞれの位置を特定するための仮想点を意味している。
上記のパワーモジュール用基板１０は、銅板１３のコーナーに大きな円弧形状のアール１２を設けることができ、パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが付加されて銅板１３のコーナーと近接するセラミック基板１１角部部分に熱応力が集中して作用したとしても、銅板１３接合部の残留応力を分散させることができ、銅板１３の角部と近接するセラミック基板１１部分に発生するクラックや、強度低下を防止することができる。また、上記のパワーモジュール用基板１０は、銅板１３のコーナーに円弧形状のアール１２を設け、銅板１３角部に設ける第１の貫通孔１７、及び第２の貫通孔１８が銅板１３のコーナーから中心部側となったとしても、銅板１３の辺部に所定の間隔で設ける第３、第４の貫通孔２０、２１、及びこれらの間に千鳥形状に設ける第５の貫通孔２３を銅板１３の直線状の辺部外縁に近接して設けているので、銅板１３辺部の縁部と近接するセラミック基板１１部分の残留応力を分散でき、セラミック基板１１の辺部に発生するクラックや、強度低下を防止することできる。
上記のパワーモジュール用基板１０の第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３の孔径は、特に、その大きさを限定するものではなく、また、エッチングの加工精度にも左右されるが、全てが実質的に同一の大きさであるのがよい。銅板１３に設ける貫通孔は、全てを同一の孔径とするエッチングマスクを用いて加工することで、加工精度のよい孔径を効率的に作製できると共に、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが付加された時に集中する銅板１３の外周囲部分と接合するセラミック基板部分に発生する残留応力を銅板１３の外周囲部分に設ける同一の孔径によって全周に渡って効果的に防止することができる。
上記のパワーモジュール用基板１０の第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３は、セラミック基板１１の両主面にパターンが形成されていない全面銅板を直接接合法や、活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、両主面の全面銅板のそれぞれをエッチング加工により形成された孔であるのがよい。セラミック基板１１の両主面に接合された全面銅板には、エッチング加工時に、上記の第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３を備えると共に、コーナーに円弧形状のアール１２を備える所望の回路パターン状や、ベタ状の銅板１３としている。このパワーモジュール用基板１０は、所望する銅板１３の外周囲に近接する所望する位置に容易に第１〜第５の貫通孔１７、１８、２０、２１、２３を設けることができ、銅板１３の外周囲と近接するセラミック基板１１部分に発生する残留応力を全周に渡って防止することができる。
上記のパワーモジュール用基板１０は、回路パターン状の中の所定の銅板１３上に搭載する半導体素子をボンディングワイヤを介して他の所定の銅板１３と電気的に導通状態とし、更に他の銅板１３を介して外部と電気的に導通状態としている。そして、パワーモジュール用基板１０は、半導体素子に大電流を流すことで発生する高熱をセラミック基板１１を介して裏面のベタ状の銅板１３側に伝熱し、更にベタ状の銅板１３から放熱できるようにしている。このパワーモジュール用基板１０は、銅板１３に大電流を流すことができるようにするために銅板１３の厚みが厚くなっていると共に、セラミック基板１１の両主面のそれぞれに銅板１３を接合するときのセラミック基板１１と銅板１３の熱膨張係数差による反りの発生を防止するために裏面のベタ状の銅板１３の厚みも同じような厚みとなっている。
本発明のパワーモジュール用基板は、高電圧の電流が流れ、大量の熱を発生する半導体素子を実装し、例えば、インバーター用や、自動車部品用等として用いるためのパワーモジュール用基板に利用することができる。
１０：パワーモジュール用基板、１１：セラミック基板、１２：アール、１３：銅板、１４：中点、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ：中心、１６：第１の直線、１７：第１の貫通孔、１８：第２の貫通孔、１９：第２の直線、２０：第３の貫通孔、２１：第４の貫通孔、２２：第３の直線、２３：第５の貫通孔
Claims (3)
- 四角形状のセラミック基板の両主面のそれぞれに、コーナーに円弧形状のアールを備える１又は複数枚の銅板を接合するパワーモジュール用基板において、
前記銅板角部の前記アールの中点と前記円弧形状の中心を結ぶ第１の直線上に設けられ、前記アールの中点からの距離が前記円弧形状の中心までの距離より短い位置を中心とする第１の貫通孔と、
前記銅板角部の前記アールの中点と前記第１の貫通孔の中心を結んで延設する前記第１の直線上に設けられ、前記アールの中点からの距離が前記円弧形状の中心までの距離より長い位置を中心とする第２の貫通孔と、
前記第１、第２の貫通孔に隣接し前記銅板の直線状の辺部外縁と平行して延設する第２の直線上に設けられ、前記辺部外縁から前記第２の直線上までの距離が前記アールの中点から前記第１の貫通孔の中心までの距離と同等で、且つ前記辺部外縁の延設線から前記第１の貫通孔の中心までの距離より短いと共に、前記第２の貫通孔の中心からの距離が前記第１、第２の貫通孔の中心間距離と同等の位置を中心とする第３の貫通孔と、
前記銅板の前記辺部外縁と平行して延設する前記第２の直線上の前記銅板の一方の角部と他方の角部に設ける前記第３の貫通孔の中心間に複数個が設けられ、前記第１の貫通孔の中心と前記第３の貫通孔の中心間距離と近似する距離を隣接する中心間距離とする位置を中心とする第４の貫通孔と、
前記第２の直線より前記銅板の中央側で前記第２の直線と平行すると共に、前記第２の直線から前記第２の貫通孔の中心までの距離より短い位置に延設する第３の直線上に複数個が設けられ、前記第３の貫通孔の中心と前記第４の貫通孔の中心間、及び隣接する前記第４の貫通孔の中心間で千鳥構造となる位置を中心とする第５の貫通孔を有することを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記第１〜第５の貫通孔の孔径は、実質的に同一であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項１、又は２記載のパワーモジュール用基板において、前記第１〜第５の貫通孔は、前記セラミック基板に前記銅板を接合した後に、エッチング加工により形成された孔であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
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