JP2017069275A - 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路の高集積化を図ることができ、セラミックス基板に生じる割れを防止して良好な放熱性能を維持する。【解決手段】第１層１５は純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、第２層１６は純銅若しくは銅合金又は純度９９．９０質量％以下のアルミニウムからなり、金属層１３が第１層１５と主成分が同一の材料により形成され、放熱板３０が第２層１６と主成分が同一の材料により形成されており、金属層１３は、回路層１２とセラミックス基板１１の一方の面との非接合部であって小回路層１２Ｓどうしの間の非接合領域Ｅ１におけるセラミックス基板１１の反対側に、セラミックス基板１１の他方の面との非接合部を有し、金属層１３の非接合部は、非接合領域Ｅ１のうち５０％以上の領域に設けられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、大電流、高電圧を抑制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及びパワーモジュールに関する。

パワーモジュールには、一般に、絶縁基板であ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、他方の面に金属層を形成する金属板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、パワーモジュールが製造される。

ところで、半導体素子の高出力密度化に伴う小型化が進んでおり、モジュールの集積化の要望が高まっている。一般的なパワーモジュールの集積化として、例えば特許文献１に開示されているようにエッチングにより回路パターンを形成したり、又はセラミックス基板に複数の回路層を並べて接合する等して、セラミックス基板に複数の回路層を設けて付加する手法が知られている。

特許第３１８０６７７号公報

ところが、セラミックス基板に複数の回路層を設けると、製造工程中又は使用時の温度変化により反りを生じ、特にセラミックス基板の回路層が接合されていない領域において、セラミックス基板に作用する応力が大きくなり、割れが生じやすくなるといった課題がある。パワーモジュール用基板に割れが生じると、実使用時に放熱性能が阻害されるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回路の高集積化を図ることができ、セラミックス基板にかかる応力を低減して、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及びパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明の放熱板付パワーモジュール用基板は、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、該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、前記回路層が、前記セラミックス基板の面方向に間隔をあけて接合された複数の小回路層により構成され、各小回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１層と、該第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合された第２層とを有する積層構造とされ、前記第１層は純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、前記第２層は純銅若しくは銅合金又は純度９９．９０質量％以下のアルミニウムからなり、前記金属層が前記第１層と主成分が同一の材料により形成され、前記放熱板が前記第２層と主成分が同一の材料により形成されており、前記金属層は、前記回路層と前記セラミックス基板の前記一方の面との非接合部であって前記小回路層どうしの間の非接合領域における前記セラミックス基板の反対側に、前記セラミックス基板の前記他方の面との非接合部を有し、前記金属層の非接合部は、前記非接合領域のうち５０％以上の領域に設けられている。

回路層を第１層と第２層との積層構造として、剛性の高い、すなわち耐力の高い放熱板に対して、セラミックス基板を中心として反対側に剛性の高い材料で形成された第２層を接合したので、放熱板と回路層の第２層とがセラミックス基板を中心として対称構造を構成することができる。また、回路層に形成された小回路層どうしの間の非接合領域において金属層にもセラミックス基板の他方の面との非接合部を設けることで、回路層と金属層との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。さらに、セラミックス基板と接合される第１層として、純度９９．９９質量％以上の比較的軟らかい、すなわち耐力の低いアルミニウムを配置しているので、加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、割れが生じることを防ぐことができる。したがって、セラミックス基板に生じる割れを防止して良好な放熱性能を維持するとともに、回路の高集積化を図ることができる。
なお、第２層を耐力の高い９９．０質量％未満のアルミニウムや、純銅又は銅合金で形成した場合にあっては、第２層の厚さを薄くすることができるので、熱抵抗を増加させることなく、より好ましい構成とすることができる。

本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記第２層が純度９９．９０質量％以下のアルミニウムとされ、前記第２層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第２層の接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱板の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８５以上１．４０以下とされるとよい。

回路層の第２層と放熱板とについて、これらの厚さ、接合面積及び耐力の関係をこの範囲に設定することにより、セラミックス基板を中心とする対称性をより向上させ、放熱板付パワーモジュール用基板への反りを発生しにく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、前記第２層が純銅又は銅合金とされ、前記第２層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第２層の接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱板の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下とされるとよい。

回路層の第２層と放熱板との厚さ、接合面積及び耐力の関係を上記の範囲に設定することで、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成することができる。これにより、加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。したがって、セラミックス基板の割れ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。

本発明のパワーモジュールは、前記放熱板付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備える。

本発明によれば、パワーモジュールの回路の高集積化を図ることができ、セラミックス基板に生じる割れを防止して、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用いたパワーモジュール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を示す図であり、（ａ）が（ｂ）に示すＢ‐Ｂ線に沿う断面図、（ｂ）が平面図である。 図２（ａ）に示すＡ‐Ａ線に沿う断面図であり、第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）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方法を説明する図である。 第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板と同一の回路層を有する第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板におけるパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）である。 第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板と同一の回路層を有する第３実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板におけるパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）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を示す平面図である。 図７に示す放熱板付パワーモジュール用基板におけるパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）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方法を説明する図である。 第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板と同一の回路層を有する第５実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板におけるパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）である。 第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板と同一の回路層を有する第６実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板におけるパワーモジュール用基板の背面図（金属層側から視た図）である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示す第１実施形態のパワーモジュール１１０は、放熱板付パワーモジュール用基板５１と、この放熱板付パワーモジュール用基板５１に接合された半導体素子６０とを備える。そして、放熱板付パワーモジュール用基板５１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１０Ａと、放熱板３０とが接合されたものである。また、回路層１２は、図２に示すように、一枚のセラミックス基板１１の面方向に間隔をあけて接合された複数の小回路層１２Ｓにより構成される。

パワーモジュール用基板１０Ａ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。

回路層１２を構成する小回路層１２Ｓは、セラミックス基板１１の表面に接合される第１層１５と、その第１層１５の表面に接合された第２層１６とを有する積層構造とされる。第１層１５は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の純アルミニウム板を用いることができる。また、第２層１６は、純度が９９．９０質量％未満のアルミニウム板で、ＪＩＳ規格では、純度９９．０質量％以上の例えばＡ１０５０等の純アルミニウム板や、Ａ３００３，Ａ６０６３，Ａ５０５２等のアルミニウム合金板を用いることができる。これら第１層１５及び第２層１６の厚みは、第１層１５が０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下、第２層１６が０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされる。

金属層１３は、回路層１２の第１層１５と主成分（アルミニウム）が同一の材料により形成され、この場合、第１層１５と同一の純度９９．９９質量％以上の厚み０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に形成されたアルミニウム板が、セラミックス基板１１にろう付けされることにより形成されている。そして、金属層１３は、図３に示すように、回路層１２とセラミックス基板１１の一方の面との非接合部であって小回路層１２Ｓどうしの間の非接合領域Ｅ１におけるセラミックス基板１１の反対側に、セラミックス基板１１の他方の面との非接合部Ｐ１を有する。この金属層１３の非接合部Ｐ１は、回路層１２の非接合領域Ｅ１のうち５０％以上の領域に設けられる。なお、金属層１３の非接合部Ｐ１は、回路層１２の非接合領域Ｅ１の範囲内にとどめることが好ましいが、多少であれば非接合領域Ｅ１よりも突出する部分があっても問題はない。

なお、図３に示す例においては、金属層１３は、小回路層１２Ｓと同数の小金属層１３Ｓにより構成され、小回路層１２Ｓとほぼ同じ大きさの平面形状に形成される。そして、これら小金属層１３Ｓどうしの間に金属層１３とセラミックス基板１１の他方の面との非接合部Ｐ１が設けられる。

また、このパワーモジュール用基板１０Ａに接合される放熱板３０は、回路層１２の第２層１６と主成分が同一の材料により形成され、純度が９９．９０質量％未満のアルミニウム板で、ＪＩＳ規格では、純度９９．０質量％以上の例えばＡ１０５０等の純アルミニウム板や、Ａ３００３，Ａ６０６３，Ａ５０５２等のアルミニウム合金板を用いることができる。
なお、第２層１６と放熱板３０とを構成する主成分が同一の材料とは、例えば第２層１６をアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成した場合は、放熱板３０もアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成されることを意味しており、第２層１６をアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成した場合に、放熱板３０を銅を主成分とする銅板により形成することは意図していない。また、例えば第２層１６を純アルミニウム板で形成した場合には、放熱板３０は純アルミニウム板や、Ａ３００３，Ａ６０６３，Ａ５０５２等のアルミニウム合金板により形成することができ、第２層１６と放熱板３０とで、アルミニウムの純度が異なる純アルミニウム板やアルミニウム合金板、添加元素が異なる純アルミニウム板やアルミニウム合金板を用いることができる。

そして、この放熱板３０と回路層１２の第２層１６とは、第２層１６の厚さをｔ１（ｍｍ）、第１層１５と第２層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、第２層１６の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、放熱板３０の厚さをｔ２（ｍｍ）、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、放熱板３０の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８５以上１．４０以下となる関係に設定される。例えば、第２層１６が厚さｔ１＝２．０ｍｍ、接合面積Ａ１＝６００ｍｍ^２のＡ３００３アルミニウム合金（耐力σ１＝４０Ｎ／ｍｍ^２）とされ、放熱板３０が厚さｔ２＝１．２ｍｍ、接合面積Ａ２＝８００ｍｍ^２のＡ６０６３アルミニウム合金（耐力σ２＝５０Ｎ／ｍｍ^２）とされる組合せの場合、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）＝１．００となる。なお、本発明における耐力の値は室温（２５℃）時の値である。

そして、この放熱板付パワーモジュール用基板５１を構成するパワーモジュール用基板１０Ａ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５１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３０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３０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、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５１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５１は、図４に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２のうちの第１層１５及び金属層１３とを接合（第１接合工程）した後、第１層１５の上に第２層１６、金属層１３に放熱板３０とそれぞれ接合（第２接合工程）することにより製造される。以下、この工程順に説明する。

（第１接合工程）
まず、図４（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のうちの第１層１５となる第１層アルミニウム板１５ａを積層し、他方の面にろう材４１を介して金属層１３となる金属層アルミニウム板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、第１層アルミニウム板１５ａ、セラミックス基板１１及び金属層アルミニウム板１３ａのこれらの各層をろう材４１を介してオクタンジオール等の仮止め材により仮止め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。

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０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ^２）、加熱温度としては例えば６４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を４５分間保持することにより、セラミックス基板１１と第１層１５及び金属層１３とをろう付けする。

（第２接合工程）
第１接合工程により得られた接合体２５における回路層１２の第１層１５に、図４（ｂ）に示すように、ろう材４１を介して第２層１６となる第２層アルミニウム板１６ａを積層し、金属層１３にろう材４１を介して放熱板３０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、第２層１６及び放熱板３０をそれぞれろう付けして、図４（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板５１を製造する。この接合の際の加圧力としては例えば０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ^２）、加熱温度が例えば６１５℃とされ、この加圧及び加熱状態を３０分間保持することにより、第１層１５と第２層１６、金属層１３と放熱板３０とをろう付けする。

そして、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５１の回路層１２（第２層１６）の上面に半導体素子６０が搭載され、図１に示すように、パワーモジュール１１０が製造される。具体的には、半導体素子６０の回路層１２へのはんだ付けには、例えば例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材が用いられ、２７５℃〜３３５℃に加熱することにより行われる。

上記のようにして製造されるパワーモジュール１１０において、放熱板付パワーモジュール用基板５１は、回路層１２を第１層１５と第２層１６との積層構造として、剛性の高い、すなわち耐力の高い放熱板３０に対して、セラミックス基板１１を中心として反対側に剛性の高い材料で形成された第２層１６を接合したので、放熱板３０と回路層１２の第２層１６とがセラミックス基板１１を中心として対称構造を構成することができる。また、回路層１２に形成された回路パターンに対応するように、回路層１２の非接合領域Ｅ１の直下において金属層１３にも非接合部Ｐ１を設けることで、回路層１２と金属層１３との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板１１の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。さらに、セラミックス基板１１と接合される第１層１５として、純度９９．９９質量％以上の比較的軟らかい、すなわち耐力の低いアルミニウムを配置しているので、加熱時等にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、割れが生じることを防ぐことができる。したがって、セラミックス基板１１に生じる割れを防止して良好な放熱性能を維持するとともに、一枚の放熱板３０に複数の小回路層１２Ｓを有するパワーモジュール用基板１０Ａを接合することにより、回路の高集積化を図ることができる。

また、放熱板付パワーモジュール用基板５１においては、回路層１２の第２層１６と放熱板３０とについて、これらの厚さ、接合面積及び耐力の関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８５以上１．２０以下の範囲に設定することにより、セラミックス基板１１を中心とする対称性をより向上させることができる。したがって、放熱板付パワーモジュール用基板５１への反りの発生を確実に防止することができ、半導体素子６０の実装工程時やその後の使用環境における温度変化に対して反りの発生が少なく、パワーモジュール用基板として長期的に高い信頼性を維持することができる。

なお、第２層１６を耐力の高い９９．０質量％未満のアルミニウムで形成した場合にあっては、第２層１６の厚さを薄くすることができるので、熱抵抗を増加させることなく、より好ましい構成とすることができる。

また、上述の第１実施形態では、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用いて真空雰囲気中でろう付けしたが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材を用いることも可能である。この場合、Ｍｇを含有するＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系合金のろう材を用いてろう付けする場合は、非酸化性雰囲気中でろう付けすることができる。

また、上述の第１実施形態では、放熱板付パワーモジュール用基板５１は、セラミックス基板１１と回路層１２のうちの第１層１５及び金属層１３とを接合（第１接合工程）した後、第１層１５の上に第２層１６、金属層１３に放熱板３０とそれぞれ接合（第２接合工程）することにより製造したが、各層の間にろう材を挟んで積層し、各層を一度に接合することにより形成してもよい。

なお、上記第１実施形態では、金属層１３を複数の小金属層１３Ｓにより構成し、小金属層１３Ｓの間に非接合部Ｐ１を形成することとしていたが、例えば、図５に示す第２実施形態のパワーモジュール用基板１０Ｂや図６に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板１０Ｃように、金属層１３を一枚で構成することも可能である。この場合、回路層１２に形成された回路パターンに対応するように、すなわち、回路層１２の非接合領域Ｅ１に対応する位置に、金属層１３の厚み方向に貫通する開口孔部１８ｂ，１８ｃを形成しておくことにより、容易に非接合部Ｐ２,Ｐ３を設けることができる。
そして、このように金属層１３を一枚で構成した場合においても、金属層１３の非接合部Ｐ２，Ｐ３を、回路層１２の非接合領域Ｅ１のうち５０％以上の領域に設けることで、より回路層１２と金属層１３との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板１１の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。

図７は、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５４を示している。こ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行う。
第１実施形態においては、回路層１２を構成する第２層１６と、放熱板３０とをアルミニウム合金により構成した形態を示したが、図７に示す第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５４においては、第２層１６と放熱板３０とが、純銅又は銅合金により構成される。

具体的には、パワーモジュール用基板１０Ｄ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。

また、回路層１２を構成する小回路層１２Ｓの第２層１６は、純銅又は銅合金からなり、例えば無酸素銅板を用いることができる。また、第１層１５は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の純アルミニウム板を用いることができる。そして、これら第１層１５及び第２層１６の厚みは、第１層１５が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、第２層１６が０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされ、第１層１５と第２層１６とが固相拡散接合されている。

そして、金属層１３を構成する小金属層１３Ｓは、回路層１２の第１層１５と主成分が同一の材料により形成され、この場合、第１層１５と同一の純度９９．９９質量％以上の厚み０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成されたアルミニウム板が、セラミックス基板１１にろう付けされることにより形成されている。そして、金属層１３は、図８に示すように、回路層１２とセラミックス基板１１の一方の面との非接合部であって小回路層１２Ｓどうしの間の非接合領域Ｅ４におけるセラミックス基板１１の反対側に、セラミックス基板１１の他方の面との非接合部Ｐ４を有する。この金属層１３の非接合部Ｐ４は、回路層１２の非接合領域Ｅ４のうち５０％以上の領域に設けられる。図８に示す例においては、金属層１３は、小回路層１２Ｓと同数の小金属層１３Ｓにより構成され、小回路層１２Ｓとほぼ同じ大きさの平面形状に形成される。そして、これら小金属層１３Ｓどうしの間に金属層１３の非接合部Ｐ４が設けられる。

また、このパワーモジュール用基板１０Ｄに接合される放熱板３０は、純銅又は銅合金からなり、回路層１２の第２層１６と主成分が同一の材料より形成され、金属層１３と放熱板３０とは固相拡散接合されている。具体的には、放熱板３０は、純銅やジルコニウム添加耐熱銅合金（三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金：Ｃｕ９９．９８ｗｔ％‐Ｚｒ０．０２ｗｔ％）により、平板状に形成される。

そして、この放熱板３０と回路層１２の第２層１６とは、第２層１６の厚さをｔ１（ｍｍ）、第１層１５と第２層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、第２層１６の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、放熱板３０の厚さをｔ２（ｍｍ）、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、放熱板３０の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となる関係に設定される。例えば、第２層１６が厚さｔ１＝２．５ｍｍ、接合面積Ａ１＝６００ｍｍ^２のＣ１０２０（耐力σ１＝１９５Ｎ／ｍｍ^２）とされ、放熱板３０が厚さｔ２＝１．４ｍｍ、接合面積Ａ２＝８００ｍｍ^２の三菱伸銅株式会社製耐熱合金ＺＣ（耐力σ２＝２８０Ｎ／ｍｍ^２）とされる組合せの場合、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）＝０．９０となる。なお、本発明における耐力の値は室温（２５℃）時の値である。

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５４は、セラミックス基板１１と回路層１２のうちの第１層１５及び金属層１３とを接合（第１接合工程）した後、第１層１５の上に第２層１６、金属層１３に放熱板３０とそれぞれ接合（第２接合工程）することにより製造される。

（第１接合工程）
まず、図９（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のうちの第１層１５となる第１層アルミニウム板１５ａを積層し、他方の面にろう材４１を介して金属層１３となる金属層アルミニウム板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。
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０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ^２）、加熱温度としては例えば６４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を４５分間保持することにより、セラミックス基板１１と第１層１５及び金属層１３とをろう付けする。

（第２接合工程）
次に、図９（ｂ）に示すように、第１接合工程により得られた接合体２５における回路層１２の第１層１５に、第２層１６となる第２層銅板１６ｃを積層し、金属層１３に放熱板３０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、第２層１５及び第２層１６、金属層１３及び放熱板３０をそれぞれ固相拡散接合する。この場合の加圧力としては、例えば０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とされ、加熱温度としては４００℃以上５４８℃未満とされ、この加圧及び加熱状態を５分以上２４０分以下保持することにより、第２層１５及び第２層１６、金属層１３及び放熱板３０が同時に固相拡散接合され、図９（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板５４が得られる。

なお、本実施形態においては、第１層１５と第２層１６、小金属層１３Ｓと放熱板３０の、それぞれの接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合される。また、固相拡散接合における真空加熱の好ましい加熱温度は、アルミニウムと銅の共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされる。

こ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５４においても、剛性の高い、すなわち耐力の高い放熱板３０に対して、セラミックス基板１１を中心として反対側に剛性の高い材料で形成された第２層１６を接合したので、放熱板３０と回路層１２の第２層１６とがセラミックス基板１１を中心として対称構造を構成することができる。また、回路層１２に形成された回路パターンに対応するように、回路層１２の非接合領域Ｅ４において金属層１３にも非接合部Ｐ４を設けることで、回路層１２と金属層１３との対称性を高めることができる。さらに、セラミックス基板１１と接合される第１層１５として、純度９９．９９質量％以上の比較的軟らかい、すなわち耐力の低いアルミニウムを配置しているので、加熱時等にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、割れが生じることを防ぐことができる。したがって、セラミックス基板１１に生じる割れを防止して良好な放熱性能を維持するとともに、一枚の放熱板３０に複数の小回路層１２Ｓを有するパワーモジュール用基板１０Ｄを接合することにより、回路の高集積化を図ることができる。

また、回路層１２の第２層１６と放熱板３０とについて、これらの厚さ、接合面積及び耐力の関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下の範囲に設定することにより、セラミックス基板１１を中心とする対称性をより向上させることができる。したがって、放熱板付パワーモジュール用基板５４への反りの発生を確実に防止することができる。

なお、上記第４実施形態では、金属層１３を複数の小金属層１３Ｓにより構成し、小金属層１３Ｓの間に非接合部Ｐ４を形成することとしていたが、例えば、図１０に示す第５実施形態のパワーモジュール用基板１０Ｅや図１１に示す第６実施形態のパワーモジュール用基板１０Ｆのように、金属層１３を一枚で構成することも可能である。この場合、回路層１２に形成された回路パターンに対応するように、すなわち、回路層１２の非接合領域Ｅ４に対応する位置に、金属層１３の厚み方向に貫通する開口孔部１８ｅ，１８ｆを形成しておくことにより、容易に非接合部Ｐ５，Ｐ６を設けることができる。また、図１０及び図１１に示すように、開口孔部１８ｅ，１８ｆの大きさを調整することとしてもよい。
そして、このように金属層１３を一枚で構成した場合においても、金属層１３の非接合部Ｐ５，Ｐ６を、回路層１２の非接合領域Ｅ４のうち５０％以上の領域に設けることで、回路層１２と金属層１３との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板１１の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
発明例及び比較例として、図２に示す放熱板付パワーモジュール用基板５１のように、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を介して一枚の放熱板３０が接合された放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。

各放熱板付パワーモジュール用基板において、セラミックス基板１１は、平面サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮにより形成した。回路層１２の第１層１５及び金属層１３は、厚み０．６ｍｍの純度９９．９９質量％以上（４Ｎ）のアルミニウムにより形成した。また、回路層１２は、図２に示すように、２つの小回路層１２Ｓ（２１，２２）により構成し、一辺をＷ０＝３７ｍｍとする正方形領域内において、一辺をＷ１＝１２ｍｍとする正方形の回路層２１と、平面視Ｌ字形状の回路層２２とを形成し、回路層２１と回路層２２との間に非接合部（いわゆる回路パターン、非接合領域Ｅ１と同じ）を設けた。一方、金属層１３については、回路層１２の非接合領域Ｅ１内において、表１に示す大きさの非接合部を設けた。
回路層１２の第２層１６及び放熱板３０は、表１に示す厚さ、耐力のものにより形成した。また、放熱板３０の平面サイズは、５０ｍｍ×６０ｍｍとした。なお、表１において、「比率」は、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）を示す。また、表１の「材料」において、ＺＣは「三菱伸銅株式会社製耐熱合金ＺＣ」を示す。

そして、得られた各試料につき、接合後の常温（２５℃）時における反り量（初期反り）、２８０℃加熱時の反り量（加熱時反り）をそれぞれ測定した。反り量の測定は、ヒートシンクの背面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して測定したものを反り量として評価した。なお、反り量は、回路層側に凸状に反った場合を正の反り量（＋）、回路層側に凹状に反った場合を負の反り量（−）とした。

また、各試料について冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後の放熱板付パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板の割れの評価を行った。冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ‐５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。そして、冷熱サイクル試験後の放熱板付パワーモジュール用基板について超音波探傷装置を用いて評価を行い、セラミックス基板の割れ発生確率が１０％未満のものを「○」、１０％以上５０％未満のものを「△」、５０％以上のものを「×」と評価した。
表１に結果を示す。

表１からわかるように、金属層の非接合部を、回路層の非接合領域のうちの５０％以上の領域に設けた発明例１〜１２では、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが発生しにくく、良好な放熱板付パワーモジュール用基板が得られることがわかった。一方、金属層の非接合部が５０％未満とされる比較例１〜４においては、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが発生しやすい結果となった。

また、回路層の第２層及び放熱板を純度９９．９０質量％以下のアルミニウムとし、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）を０．８５以上１．４０以下の範囲内とした発明例１〜６では、常温時及び加熱時における反りが小さい放熱板付パワーモジュール用基板が得られることが確認できた。そして、回路層の第２層及び放熱板を純銅又は銅合金とし、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）を０．８０以上１．２０以下の範囲内とした発明例７〜１２においても、常温時及び加熱時における反りが小さい放熱板付パワーモジュール用基板が得られることが確認できた。

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。

１０Ａ〜１０Ｆ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２Ｓ 小回路層
１３ 金属層
１３Ｓ 小金属層
１５ 第１層
１６ 第２層
１８ｂ，１８ｃ，１８ｅ，１８Ｆ 開口孔部
２５ 接合体
３０ 放熱板
４１ ろう材
５１，５４ 放熱板付パワーモジュール用基板
６０ 半導体素子
８０ ヒートシンク
８１ 天板部
８２ 冷却部
８３ 流路
１１０ パワーモジュール
Ｅ１，Ｅ４ 回路層の非接合領域
Ｐ１〜Ｐ６ 金属層の非接合部

Claims (4)

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、該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、
   前記回路層が、前記セラミックス基板の面方向に間隔をあけて接合された複数の小回路層により構成され、
   各小回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１層と、該第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合された第２層とを有する積層構造とされ、
   前記第１層は純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、
   前記第２層は純銅若しくは銅合金又は純度９９．９０質量％以下のアルミニウムからなり、
   前記金属層が前記第１層と主成分が同一の材料により形成され、
   前記放熱板が前記第２層と主成分が同一の材料により形成されており、
   前記金属層は、前記回路層と前記セラミックス基板の前記一方の面との非接合部であって前記小回路層どうしの間の非接合領域における前記セラミックス基板の反対側に、前記セラミックス基板の前記他方の面との非接合部を有し、
   前記金属層の非接合部は、前記非接合領域のうち５０％以上の領域に設けられている放熱板付パワーモジュール用基板。
2. 前記第２層が純度９９．９０質量％以下のアルミニウムとされ、
   前記第２層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第２層の接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、
   前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱板の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、
   比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８５以上１．４０以下とされる請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
3. 前記第２層が純銅又は銅合金とされ、
   前記第２層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第２層の接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）とし、
   前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱板の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）としたときに、
   比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下とされる請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の前記放熱板付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるパワーモジュール。

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