JP2016189421A - 放熱板付パワーモジュール用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱板に生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を維持することができる。【解決手段】パワーモジュール用基板１００Ａは、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が接合されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３を介して放熱板５０Ａが接合され、放熱板５０Ａが、低線膨張率材料及び銅を含む銅系低線膨張材層５１Ａと、前記銅系低線膨張材層５１Ａの両面を被覆する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層５２とにより形成されている。【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放熱板付パワーモジュール用基板に関する。

パワーモジュールには、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に、回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板が用いられる。そして、この放熱板付パワーモジュール用基板の回路層の上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載される。

このような放熱板付パワーモジュールにおいては、高い放熱性能が要求されることから、放熱板に熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）が使用されることがある。ところが、純銅は線膨張率が大きいことから、放熱板とセラミックス基板との線膨張率差に起因する反り等の変形が生じ、実装性や耐久信頼性に影響することが問題となっている。
そこで、特許文献１から３に開示されているように、熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）に、低線膨張率のタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の低線膨張率材料を組み合わせた銅系材料を用いることにより、高い熱伝導性と低い線膨張率とを兼ね備えた放熱板の開発が盛んに行われるようになっている。

例えば特許文献１には、Ｃｕ／Ｃｕ‐Ｍｏ／Ｃｕの積層構造とした放熱板、すなわちＣｕ‐Ｍｏ層の両面にＣｕ層を接合した放熱板（ヒートシンク）が開示されている。また、特許文献２には、Ｃｒ‐Ｃｕ合金板の両面にＣｕ板を接合した後に圧延を施して、Ｃｒ‐Ｃｕ合金層とＣｕ層との積層体を形成した放熱板が開示されている。さらに、特許文献３には、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有する放熱板が開示されている。

特開２０１３‐２２５５５６号公報 特開２０１１‐１２９８８０号公報 特開２００９‐１２９９８３号公報

ところが、このような銅系材料からなる放熱板は、長期間、高温・高湿度環境で使用された場合に、腐食が進むことにより、放熱性能が悪化することが課題となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放熱板に生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を維持することができる放熱板付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層を介して放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板であって、前記放熱板が、低線膨張率材料及び銅を含む銅系低線膨張材層と、前記銅系低線膨張材層の両面を被覆する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層とにより形成されている。

熱伝導性の高い銅と、タングステンやモリブデン、クロム等の低線膨張率材料とを組み合わせた銅系低線膨張材層を用いて放熱板を構成することにより、高い熱伝導性と低い線膨張率とを兼ね備えた放熱板とすることができる。また、放熱板の両面をアルミニウム層により被覆し、銅系低線膨張材層の露出を抑制した構成とされているので、耐腐食性を高めることができ、長期間の高温・高湿度環境下においても良好な放熱性能を維持することができる。
さらに、放熱板の線膨張率が低くなることによって、放熱板に生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を維持することができる。
なお、銅系低線膨張材層としては、銅‐モリブデンのコンポジット材を好適に用いることができる。この場合、モリブデンは、５５ｗｔ％〜７５ｗｔ％の範囲内で含有されていると良い。

本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記金属層側に配設される上側アルミニウム層の厚みをｔ１とし、前記金属層とは反対側に配設される下側アルミニウム層の厚みをｔ２とした場合に、厚みｔ１が厚みｔ２よりも大きく設けられているとよい。

銅系低線膨張材層の両面に積層されるアルミニウム層のうち、金属層側に配設される上側アルミニウム層をその反対側に配設される下側アルミニウム層よりも厚く設けることで、これらの積層方向における熱膨張差による応力のバランスを調整することができ、温度変化により生じる放熱板付パワーモジュール用基板の反り等の変形を小さくすることができる。

本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記銅系低線膨張材層が、前記金属層と前記放熱板との接合面を投影した接合投影領域に設けられているとよい。

少なくとも金属層と放熱板との接合面を投影した接合投影領域において銅系低線膨張材層が配設された構成とすることにより、長期間の高温・高湿度環境下においても良好な放熱性能を維持することができる。そして、放熱板の両面（上下面）だけでなく、側面においても銅系低線膨張材層を露出させることなくアルミニウム層で形成した場合には、さらに耐腐食性を高めることが可能となる。

本発明によれば、放熱板に生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を維持することができる。

本発明の第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造工程を示す断面図である。 本発明の第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａは、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が接合されるとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３が接合されたパワーモジュール用基板１０と、放熱板５０Ａとが接合されたものである。また、本実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａを構成するパワーモジュール用基板１０には、セラミックス基板１１上に複数の回路層１２が間隔をあけて接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が構成される。

パワーモジュール用基板１０を構成するセラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。なお、本実施形態の一例として、セラミックス基板１１には、平面サイズが８０ｍｍ×９０ｍｍとされ、厚さが１．０ｍｍとされるものを用いることができる。

また、回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板をセラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板をセラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。なお、本実施形態の一例として、回路層１２には、平面サイズが３７ｍｍ×８６ｍｍとされ、厚さが０．４ｍｍとされるものを用いることができる。そして、この回路層１２がセラミックス基板１１上に２ｍｍの間隔をあけて２個配設されることにより、回路パターンが形成される。

放熱層１３は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板をセラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板をセラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。なお、本実施形態の一例として、金属層１３には、平面サイズが７６ｍｍ×８６ｍｍとされ、厚さが０．４ｍｍとされるものを用いることができる。

また、パワーモジュール用基板１０に接合される放熱板５０Ａは、図１及び図２に示すように、低線膨張率材料及び銅を含む銅系低線膨張材層５１Ａと、、この銅系低線膨張材層５１Ａの両面を被覆する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層５２とを積層することにより形成されている。本実施形態の一例として、放熱板５０Ａは、同一の平面サイズ（１００ｍｍ×１００ｍｍ）の銅板（銅系低線膨張材層５１Ａ）とアルミニウム板（アルミニウム層５２）とを積層することにより、すなわち銅系低線膨張材層５１Ａの両面にアルミニウム層５２を接合することにより三層構造の平板形状に形成されている。そして、銅回路層５１Ａの両面に積層されるアルミニウム層５２のうち、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側に配設される上側の上側アルミニウム層５２ａの厚みをｔ１とし、金属層１３とは反対側に配設される下側の下側アルミニウム層５２ｂの厚みをｔ２とした場合に、厚みｔ１が厚みｔ２よりも大きく設けられている。

放熱板５０Ａを構成する銅系低線膨張材層５１Ａは、熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）と、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の低線膨張率材料とを組み合わせた、Ｃｕ‐Ｗ、Ｃｕ‐Ｍｏ又はＣｕ‐Ｃｒ等の銅系低線膨張材からなる。好適に用いられるのは、Ｃｕ‐Ｍｏのコンポジット材であり、この場合、Ｍｏは５５ｗｔ％〜７５ｗｔ％の範囲内で含有されていると良い。
本実施形態の一例としては、銅系低線膨張材層５１ＡがＭｏ６０ｗｔ％‐Ｃｕ４０ｗｔ％のコンポジット材により形成され、アルミニウム層５２がＡ３００３アルミニウム合金により形成される。また、各層の厚みは、銅系低線膨張材層５１Ａの厚みが０．５ｍｍ、上側アルミニウム層５２ａの厚みｔ１が４．０ｍｍ、下側アルミニウム層５２ｂの厚みｔ２が０．５ｍｍとされる。

そして、この放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａを構成するパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面に、半導体素子６０がはんだ付けされて、パワーモジュール１１０が製造される。なお、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

また、このように構成される放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａは、図１に示すように、ヒートシンク８０に固定された状態で使用される。本実施形態では、ヒートシンク８０は、パワーモジュール１１０の放熱板５０Ａが固定される天板部８１と、冷却媒体（例えば、冷却水）を流通するための流路８３が設けられた冷却部８２とからなる。そして、パワーモジュール１１０の放熱板５０Ａとヒートシンク８０の天板部８１との間に、例えばグリース（図示略）を介在させ、これらパワーモジュール１１０とヒートシンク８０とをバネ等により押し付けて固定する。

なお、ヒートシンク８０は、熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましく、本実施形態においては、アルミニウム合金（Ａ６０６３合金）により形成されている。また、パワーモジュール１１０が固定されるヒートシンク８０としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。なお、アルミニウム又は銅で形成されたヒートシンクについては、パワーモジュールをはんだ付けして固定することも可能である。

次に、本実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａを製造する方法について一例を説明する。
放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａは、図２（ｃ）に示すように、パワーモジュール用基板１０と、放熱板５０Ａとを接合することにより製造される。

パワーモジュール用基板１０は、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にろう材４１を介して回路層１２となる回路側アルミニウム板１２ａを積層し、このセラミックス基板１１の他方の面にろう材４１を介して金属層１３となる放熱側アルミニウム板１３ａを積層して、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、各層がろう付け接合され一体に形成される。
具体的には、図示を省略するが、パワーモジュール用基板１０を構成する回路層１２、セラミックス基板１１及び金属層１３のこれらの各層をろう材４１を介して積層した積層体を形成しておき、これらを積層方向に加圧した状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板１０を製造する。

なお、各層を接合するろう材４１は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよい。また、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

また、放熱板５０Ａは、図２（ｂ）に示すように、例えば、銅系低線膨張材層５１Ａとなる銅板５１ａの両面（上下面）に、それぞれ上側アルミニウム層５２ａとなるアルミニウム板５３ａと、下側アルミニウム層５２ｂとなるアルミニウム板５３ｂとを積層し、これらの積層体をその積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で加熱して、銅系低線膨張材層５１Ａの上面と上側アルミニウム層５２ａ、銅系低線膨張材層５１Ａの下面と下側アルミニウム層５２ｂを固相拡散接合する。この接合の際の加圧力は１〜５ＭＰａ、加熱温度は５２０℃とされ、この加圧及び加熱状態を６０〜１２０分間保持することにより、図２（ｃ）に示すように、銅系低線膨張材層５１Ａと上側アルミニウム層５２ａ、銅系低線膨張材層５１Ａと下側アルミニウム層５２ｂとが、同時に固相拡散接合され、放熱板５０Ａが得られる。

そして、パワーモジュール用基板１０と放熱板５０Ａとを接合し、図１に示す放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａを製造する。
具体的には、パワージュール用基板１０の金属層１３と放熱板５０Ａの上側アルミニウム層５２ａとを重ねて積層し、これらの積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で加熱することにより、金属層１３と上側アルミニウム層５２ａとを固相拡散接合する。この接合の際の加圧力は２ＭＰａ、接合温度は５２０℃とされ、この加圧及び加熱状態を６０分間保持することにより、金属層１３と上側アルミニウム層５２ａとを固相拡散接合する。

このようにして製造された放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａには、図１に示すように、回路層１２の上面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が製造される。

上記のようにして製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａにおいては、熱伝導性の高い銅と、タングステンやモリブデン、クロム等の低線膨張率材料とを組み合わせた銅系低線膨張材層５１Ａを用いて放熱板を構成することにより、高い熱伝導性と低い線膨張率とを兼ね備えた放熱板５０Ａとすることができる。また、放熱板５０Ａの両面をアルミニウム層５２により被覆し、銅系低線膨張材層５１Ａの露出を抑制した構成とされているので、耐腐食性を高めることができ、長期間の高温・高湿度環境下においても良好な放熱性能を維持することができる。さらに、放熱板５０Ａの線膨張率が低くなることによって、放熱板５０Ａに生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を維持することができる。

なお、銅系線膨張率材料は比較的高価とされるが、本実施形態のように、銅系低線膨張材層５１Ａとアルミニウム層５２とを接合した放熱板５０Ａを構成した場合にあっては、放熱板５０Ａに生じる反りを抑制する効果を得ながらも銅系低線膨張材の使用量を減らすことができるので、コスト面でも有利である。

また、第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ａにおいては、銅系低線膨張材層５１Ａの両面に積層されるアルミニウム層５２のうち、金属層１３側に配設される上側アルミニウム層５２ａをその反対側に配設される下側アルミニウム層５２ｂよりも厚く設けているので、これらの積層方向における熱膨張差による応力のバランスを調整することができる。したがって、温度変化により生じる放熱板付パワーモジュール用基板５０Ａの反り等の変形をより確実に小さくすることができる。

図３及び図４は、本発明の第２実施形態及び第３実施形態を示している。これらの実施形態において、図１の第１実施形態と共通要素には、同一符号を付して説明を省略する。

図３に示す第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｂにおいては、放熱板５０Ｂを構成する銅系低線膨張材層５１Ｂが、Ｍｏ７０ｗｔ％‐Ｃｕ３０ｗｔ％のコンポジット材の両面に純銅板を接合した銅クラッド板５１ｂにより形成され、アルミニウム層５２がＡ３００３アルミニウム合金により形成される。そして、放熱板５０Ｂは、図３（ａ）に示すように、これら銅系低線膨張材層５１Ｂとなる銅クラッド材５１ｂの両面に、それぞれチタン（Ｔｉ）のインサート箔５５を介して、アルミニウム層５２となるアルミニウム板５３ａ，５３ｂを積層し、これらを積層方向に加圧した状態で真空雰囲気下で加熱することにより、固相拡散接合して形成される。この接合の際の加圧力は１〜５ＭＰａ、加熱温度は６２０〜６４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を６０〜１２０分間保持することにより、銅系低線膨張材層５１Ｂと上側アルミニウム層５２ａ、銅系低線膨張材層５１Ｂと下側アルミニウム層５２ｂとが、チタン層を介して同時に固相拡散接合され、放熱板５０Ｂが得られる。

なお、各層の平面サイズは、銅系低線膨張材層５１Ｂとなる銅クラッド板５１ｂとアルミニウム層５２となるアルミニウム板５３ａ，５３ｂは、同一の平面サイズ（１００ｍｍ×１００ｍｍ）に形成され、チタンのインサート箔５５は、平面サイズ（１０５ｍｍ×１０５ｍｍ）に形成される。また、各層の厚みは、銅クラッド板５１ｂの厚みが１．０ｍｍ、上側アルミニウム層５２ａとなるアルミニウム板５３ａの厚みｔ１が３．０ｍｍ、下側アルミニウム層５２ｂとなるアルミニウム板５３ｂの厚みｔ２が１．０ｍｍとされ、チタンのインサート箔５５の厚みは２０μｍとされる。

次に、パワーモジュール用基板１０と放熱板５０Ｂとの接合は、図３（ｂ）に示すように、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔、Ａｌ‐Ｃｕ‐Ｍｇ箔やＡｌ‐Ｇｅ‐Ｃｕ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔等のＭｇ含有Ａｌ系ろう材箔、又は、アルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）の芯材の両面にＭｇ含有ろう材が設けられた両面クラッド材を用いたろう接合により行われる。このようなろう材４２を、パワージュール用基板１０の金属層１３と放熱板５０Ｂの上側アルミニウム層５２ａとの間に挟んで積層し、積層方向に加圧した状態で、低酸素濃度窒素雰囲気下で加熱することにより、金属層１３と上側アルミニウム層５２ａとをろう付け接合する。このろう付け接合時の加圧力は０．０５〜３ＭＰａ、加熱温度は６１０〜６２０℃とされ、この加圧及び加熱状態を５〜２０分間保持することにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と、放熱板５０Ｂの上側アルミニウム層５２ａとが接合され、図３（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｂが製造される。

図４は、本発明の第３実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを示している。上記の第１実施形態及び第２実施形態では、各放熱板５０Ａ，５０Ｂが、銅系低線膨張材層とアルミニウム層とが同一の平面サイズで形成された構成とされていたが、第３実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃにおいては、図４（ｃ）に示すように、放熱板５０Ｃを構成する銅系低線膨張材層５１Ｃが、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板５０Ｃとの接合面を投影した接合投影領域のみに設けられた構成とされる。すなわち、銅系低線膨張材層５１Ｃがアルミニウム層５２ｃ，５２ｄで囲まれた構成とされ、銅系低線膨張材層５１Ｃが、放熱板５０Ｃの両面（上下面）だけでなく、側面においても外部に露出されることなく、アルミニウム層５２ｃ，５２ｄで被覆された状態とされる。

本実施形態では、この放熱板５０Ｃを構成する銅系低線膨張材層５１Ｃは、Ｍｏ７０ｗｔ％‐Ｃｕ３０ｗｔ％のコンポジット材（以下、Ｃｕ‐Ｍｏコンポジット材と記す。）５１ｃにより形成され、アルミニウム層５２ｃ，５２ｄがＡ３００３アルミニウム合金により形成される。そして、下側アルミニウム層５２ｄには、図４（ａ）に示すように、銅系低線膨張材層５１Ｃが収容される凹部５６が形成され、その凹部５６の外周側に厚肉部分が残されることにより側壁部５７が形成されている。また、その側壁部５７には凹部５６の周縁部に沿って段差部５８が設けられており、この段差部５８に上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃが載置されるようになっている。

具体的には、各層の平面サイズは、銅系低線膨張材層５１ＣとなるＣｕ‐Ｍｏコンポジット材５１ｃが７８ｍｍ×８８ｍｍ、上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃが８０ｍｍ×９０ｍｍ、下側アルミニウム層５２ｄとなるアルミニウム板５３ｄが１００ｍｍ×１００ｍｍに形成される。また、各層の厚みは、Ｃｕ‐Ｍｏコンポジット材５１ｃが０．５ｍｍ、上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃが４．０ｍｍ、下側アルミニウム層５２ｄとなるアルミニウム板５３ｄが５．０ｍｍとされる。そして、下側アルミニウム層５２ｄとなるアルミニウム板５３ｄには、底部の厚みを０．５ｍｍ残して、深さ４．５ｍｍで７９ｍｍ×８９ｍｍの凹部５６が形成されるとともに、側壁部５７の内側に深さ４．０ｍｍで８０ｍｍ×９０ｍｍの段差部５８が形成される。

そして、下側アルミニウム層５２ｄとなるアルミニウム板５３ｄに形成された凹部５６の底面に、銅系低線膨張材層５１ＣとなるＣｕ‐Ｍｏコンポジット材５１ｃを積層し、さらにこのＣｕ‐Ｍｏコンポジット材５１ｃ上に上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃを積層し、これらを積層方向に加圧した状態で真空雰囲気下で加熱することにより、各層を接合する。この接合の際の加圧力は１〜５ＭＰａ、加熱温度は５６０〜６３０℃とされ、この加圧及び加熱状態を１０〜１２０分間保持することにより、銅系低線膨張材層５１Ｃと上側アルミニウム層５２ｃ、銅系低線膨張材層５１Ｃと下側アルミニウム層５２ｄとが、同時に過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合される。

この際、加熱により、上側アルミニウム層５２ｃ及び下側アルミニウム層５２ｄのＡｌ中に、Ｃｕ‐Ｍｏコンポジット材５１ｃに含まれるＣｕが拡散し、接合面近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低下し、ＡｌとＣｕとの共晶域において接合界面に金属液相が形成される。そして、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、金属液相が上側アルミニウム層５２ｃ及び下側アルミニウム層５２ｄと反応するとともに、ＣｕがさらにＡｌ中に拡散することに伴い、金属液相中のＣｕ濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、銅系低線膨張材層５１Ｃと上側アルミニウム層５２ｃ、銅系低線膨張材層５１Ｃと下側アルミニウム層５２ｄとが強固に接合される。

また、接合時に発生する余剰の金属液相が、毛細管現象によって上側アルミニウム層５２ｃの周縁部と下側アルミニウム層５２ｄの周縁部との間に入り込むことによって、これらの周縁部で接合することも可能であり、この場合、図４（ｂ）に示すように、アルミニウム層５２ｃ，５２ｄの内部に銅系低線膨張材層５１Ｃが収容された構造の放熱板５０Ｃが得られる。

さらに、銅系低線膨張材層５１Ｃとその銅系低線膨張材層５１Ｃが収容される凹部５６との間には、隙間ｇが設けられ、使用時におけるアルミニウム層５２と銅系低線膨張材層５１Ｃとの線膨張率差により生じる放熱板５１Ｃの変形を吸収できるようになっている。なお、銅系低線膨張材層５１Ｃと上側アルミニウム層５２ｃ、銅系低線膨張材層５１Ｃと下側アルミニウム層５２ｄの接合時に発生する金属液相は、隙間ｇを埋めるほどの量が発生しないため、接合後に隙間ｇを設けることが可能である。

次に、パワーモジュール用基板１０と放熱板５０Ｃとの接合は、図４（ｂ）に示すように、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材４２を、パワージュール用基板１０の金属層１３と放熱板５０Ｃの上側アルミニウム層５２ｃとの間に挟んで積層し、積層方向に加圧した状態で、低酸素濃度窒素雰囲気下で加熱することにより、金属層１３と上側アルミニウム層５２ｃとをろう付け接合する。この際のろう付け接合時の加圧力は０．０５〜３ＭＰａ、加熱温度は６１０〜６２０℃とされ、この加圧及び加熱状態を５〜２０分間保持することにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と、放熱板５０Ｂの上側アルミニウム層５２ｃとがろう付け接合され、図４（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃが製造される。

このように、放熱板５０Ｃの両面（上下面）だけなく、側面においても銅系低線膨張材層５１Ｃを露出させることなくアルミニウム層５２で被覆して形成することにより、より耐腐食性を高めることが可能となる。また、放熱板５０Ｃを構成する銅系低線膨張材層５１Ｃは、少なくとも金属層１３と放熱板５０Ｃとの接合面を投影した接合投影領域において配設された構成とすればよく、この場合においても、長期間の高温・高湿度環境下においても良好な放熱性能を維持することができる。

また、上述した第３実施形態では、まず銅系低線膨張材層５１Ｃと上側アルミニウム層５２ｃ、銅系低線膨張材層５１Ｃと下側アルミニウム層５２ｄを接合して放熱板５０Ｃを得たのちに、パワーモジュール用基板１０を接合し、２回の接合で放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを製造したが、１回の接合で放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを製造することも可能である。

この場合、下側アルミニウム層５２ｄとなるアルミニウム板５３ｄに形成された凹部５６の底面に、銅系低線膨張材層５１ＣとなるＣｕ‐Ｍｏコンポジット５１ｃを積層し、さらにこのＣｕ‐Ｍｏコンポジット５１ｃ上に上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃを積層するとともに、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材４２を、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と上側アルミニウム層５２ｃとなるアルミニウム板５３ｃとの間に挟んで積層し、これらの積層方向に加圧した状態で、低酸素濃度窒素雰囲気下で加熱することにより、放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを製造することが可能である。この場合における接合温度は例えば６１０〜６２０℃、加圧力は例えば０．０５〜２ＭＰａ、望ましくは０．５〜１．５ＭＰａで接合することにより、一度の接合で放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを製造することが可能となる。

なお、一度の接合で放熱板付パワーモジュール用基板１００Ｃを製造することにより、上側アルミニウム層５２ｃの厚みｔ１が下側アルミニウム層５２ｄの厚みｔ２よりも大きく設けられている場合に発生する放熱板５０Ｃの反りを、加圧力で抑え込む必要がなくなり、接合荷重を低減することが可能となる。

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。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
４１，４２ ろう材
５０Ａ〜５０Ｃ 放熱板
５１Ａ〜５０Ｃ 銅系低線膨張材層
５２ アルミニウム層
５２ａ，５２ｃ 上側アルミニウム層
５２ｂ，５２ｄ 下側アルミニウム層
５５ インサート箔
５６ 凹部
５７ 側壁部
５８ 段差部
６０ 半導体素子
８０ ヒートシンク
１００Ａ〜１００Ｃ 放熱板付パワーモジュール用基板

Claims (3)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層を介して放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板であって、
   前記放熱板が、低線膨張率材料及び銅を含む銅系低線膨張材層と、前記銅系低線膨張材層の両面を被覆する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層とにより形成されている放熱板付パワーモジュール用基板。
2. 前記金属層側に配設される上側アルミニウム層の厚みをｔ１とし、前記金属層とは反対側に配設される下側アルミニウム層の厚みをｔ２とした場合に、厚みｔ１が厚みｔ２よりも大きく設けられている請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
3. 前記銅系低線膨張材層が、前記金属層と前記放熱板との接合面を投影した接合投影領域に設けられている請求項１又は２に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。

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