JP2018148064A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板 - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板 Download PDF

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Abstract

【課題】パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板と、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム等を含浸して形成されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを備え、回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、回路層とセラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）、金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、金属層とセラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）としたときに、厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、厚みｔ２が０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されるとともに、厚みｔ１よりも大きく形成され、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内とされる。【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ヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されるように、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に銅等からなる回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に銅等からなる金属層が形成され、この金属層のセラミックス基板とは反対側の面にアルミニウムや銅等からなるヒートシンク（放熱板）が接合された構成のものが知られている。そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、半導体素子等の電子部品がはんだ付け（実装）されることにより、パワーモジュールが製造される。
しかし、アルミニウムや銅からなるヒートシンクは、パワーモジュール用基板との線膨張率差が大きいことから、電子部品の実装工程で加熱されたり、パワーモジュールの使用環境における温度変化にさらされることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じる。例えば、電子部品の実装工程でヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、電子部品の位置ずれが発生したり、はんだ接合部に歪みやクラック等が生じて、接合信頼性が損なわれるおそれがある。また、パワーモジュールの使用環境においてヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、ヒートシンクと冷却器との間に介在する熱導電性グリースがポンプアウト現象により流れ出すことにより、ヒートシンクと冷却器との密着性が損なわれ、熱抵抗の増加を招くことがある。さらには、このように繰り返してヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じることにより、セラミックス基板にクラックが生じるおそれがある。
そこで、この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、アルミニウムや銅に替えて、低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体によりヒートシンクを形成することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りを低減する試みがなされている。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、特許文献３又は特許文献４に記載されるように、主に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体中にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸されるとともに、その多孔質体の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層が形成された、アルミニウムと炭化珪素の複合体である。
特開平１０‐２７０５９６号公報 特開２０１６‐５１７７８号公報 特開２０１４‐１４３３５１号公報 特開２００３‐３０６７３０号公報
特許文献３又は特許文献４に記載されるように、従前は、ヒートシンクを低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により形成することで、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差を小さくし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減を図っていた。しかし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反り量の低減は十分とは言えず、さらなる改善が求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク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。
本発明のヒートシンク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銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設された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金属層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを備え、前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）、前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）としたときに、前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ２が０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されるとともに、前記厚みｔ１よりも大きく形成されており、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内とされている。
ヒートシンクを形成するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、セラミックス基板に近い線膨張率を有しているが、わずかながら線膨張率に差がある。このため、金属層が薄いと、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張率差に起因する反りが生じる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、剛性の高い銅又は銅合金からなる金属層の厚みを大きく（厚く）したので、金属層の表裏面に沿う応力差に対して金属層の抵抗力が支配的となり、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りが低減され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りをさらに低減できる。ただし、金属層の厚みを大きくしすぎると、冷熱サイクル時の金属層の熱伸縮により、セラミックス基板に割れ（クラック）が生じるおそれがある。この場合、回路層の厚みが金属層より大きいと、回路層の熱伸縮の影響が大きくなるため、反りが生じる。そこで、回路層と金属層とを所定の厚みの範囲内で形成し、回路層と金属層との関係を比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内に調整することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体の反りを低減でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成できる。
なお、回路層の厚みｔ１が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板と回路層との接合に用いた接合材が加熱時に回路層の表面に染み出すおそれがあり、厚みｔ１が３．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する場合等、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した際に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
また、金属層の厚みｔ２が０．１５ｍｍ未満では、金属層の厚みｔ２を大きくしたことによる、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。そして、厚みｔ２が５．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する場合等、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した際に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記ヒートシンクの下面において、前記ヒートシンクと前記金属層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされる。ここで、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とする。
このように、２８５℃加熱時における反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘと、その加熱後に２８５℃から３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｙとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、低温時（３０℃）と高温時（２８５℃）とに生じる反りの変化も小さい。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、電子部品を回路層へはんだ付けやワイヤーボンディング等を行う際に生じる反りや、パワーモジュールの冷熱サイクル負荷時に生じる反りが小さいので、電子部品のはんだ付け等の製造工程における作業性の向上や、加熱によるセラミックス基板の割れを防止できる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、温度変化に伴うセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 パワーモジュール用基板の斜視図である。 ヒートシンクの要部断面図である。 図１に示すヒートシンク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り、パワーモジュール用基板の製造工程を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク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り、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合工程を説明する断面図である。 反りの測定範囲を説明する模式図であり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板のヒートシンクの下面の平面図である。 反りの測定方法を説明する模式図であり、（ａ）が測定範囲の平面図、（ｂ）が反りが正のときの測定範囲の対角線上の断面図、（ｃ）が反りが負のときの測定範囲の対角線上の断面図を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク２０とを備える。
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板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において下面）に配設された金属層１３とを備える。
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り、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム），Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素），Ａｌ２Ｏ３（アルミナ），ＳｉＣ（炭化珪素）等の絶縁性の高いセラミックスで形成され、厚みが０．３２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。また、回路層１２は、エッチング等により所定の回路パターンが形成されている。回路層１２の厚みｔ１（銅板の厚み）は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。また、金属層１３の厚みｔ２（銅板の厚み）は、０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
そして、パワーモジュール用基板１０において、図２に示すように、回路層１２の耐力をσ１（ＭＰａ）、回路層１２の厚みをｔ１（ｍｍ）、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３の耐力をσ２（ＭＰａ）、金属層１３の厚みをｔ２（ｍｍ）、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積をＡ２（ｍｍ２）としたときに、回路層１２の厚みｔ１よりも金属層１３の厚みｔ２が大きく（厚く）形成されており、回路層１２と金属層１３との関係が、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内となるように調整されている。
なお、回路層１２には回路パターンが形成されており、複数に分割されたパターン形状を有する場合には、各パターン形状の接合面積の総和が接合面積Ａ１（ｍｍ２）となり、回路層１２の接合面積Ａ１は、通常は金属層１３の接合面積Ａ２の９０％程度の面積とされる。また、回路層１２の耐力σ１と、金属層１３の耐力σ２は、調質（質別）記号「Ｏ」の２５℃における耐力とされる。
ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、図１に示すように、金属層１３の下面に接合されている。このヒートシンク２０は、図３に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体２１にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸され、多孔質体２１の表面に、内部に含浸されたアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層２２が形成されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により、平板状に形成されている。
含浸されるアルミニウムとしては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ‐Ａｌ）や純度が９９．９９質量％のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）等の純アルミニウム、若しくはＡｌ：８０質量％以上９９．９９質量以下、Ｓｉ：０．０１質量％以上１２．６質量％以下、Ｍｇ：０．０３質量％以上５．０質量％以下、残部：不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
また、ヒートシンク２０の厚みは、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることができる。なお、ヒートシンク２０の厚みは、多孔質体２１の両面を被覆する被覆層２２を含んだ厚みである。被覆層２２の片面当たりの厚みは、ヒートシンク２０の厚みの０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。
このように、多孔質体２１の表面に被覆層２２が形成されたヒートシンク２０は、例えば、多孔質体２１を、その周囲に所定の隙間を有するように設けられた型内に配置しておき、その型内に加熱溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を圧入して、加圧された状態で冷却することにより製造される。このように、アルミニウム等を圧入することで、アルミニウム等との濡れ性が悪い炭化珪素の多孔質体２１の内部にアルミニウム合金を含浸させることができ、さらに多孔質体２１の周囲の隙間にアルミニウム等を充填して、多孔質体２１の表面に所定の厚みの被覆層２２を形成できる。なお、形成された被覆層２２を切削加工することにより、被覆層２２の厚みを調整してもよい。
なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の好ましい組み合わせ例として、パワーモジュール用基板１０の各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）、回路層１２が厚み０．３ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ１：２００ＭＰａ）、金属層１３が厚み２．０ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ２：２００ＭＰａ）により構成され、接合面積Ａ１が１３６９ｍｍ２、接合面積Ａ２が１３６９ｍｍ２の場合、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝＝８．２１となる。また、ヒートシンク２０は、アルミニウム等がＡｌ‐Ｓｉ系合金で構成され、全体の厚みが５．０ｍｍで、被覆層２２の厚みが１００μｍ程度で構成される。
なお、各部材の線膨張率は、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１が４．５×１０−６／Ｋ、ＯＦＣからなる回路層１２及び金属層１３が１７．７×１０−６／Ｋ、Ａｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンク２０が８．５×１０−６／Ｋとされる。
そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の回路層１２の上面に半導体素子等の電子部品３０が搭載され、パワーモジュールが製造される。なお、電子部品３０は、回路層１２の上面にＳｎ‐Ｃｕ、Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ等のはんだ材によりはんだ接合され、電子部品３０と回路層１２との間には、厚み５０μｍ〜２００μｍ程度のはんだ接合部が形成される。
以下、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の製造工程を説明する。
まず、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１を接合する。回路層１２となる銅板及び金属層１３となる銅板と、セラミックス基板１１との接合は、いわゆる活性金属ろう付け法によって実施した。
詳細には、セラミックス基板１１の上面にＡｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の活性金属ろう材を介して回路層１２となる銅板を積層するとともに、セラミックス基板１１の下面にも同様の活性金属ろう材を介して金属層１３となる銅板を積層する。そして、これらの銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板１１を積層した積層体を、図４に示すように、その積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内で加圧した状態で加熱し、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板１０を製造する。この際の加熱条件は、例えば加熱温度が８５０℃、加熱時間が１０分とされる。
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、ヒートシンク２０を接合する。パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合には、図５に示すように、凸曲面状の加圧面５１ａを有する加圧板５１と、凹曲面状の加圧面５２ａを有する加圧板５２とを有する加圧治具５０を用いることが好ましい。二枚の加圧板５１，５２には、それぞれ対向する加圧面５１ａ，５２ａを、曲率半径Ｒが３０００ｍｍ〜７０００ｍｍとされる曲面を有する凹面又は凸面に形成するとよい。この場合、図５に示すように、ヒートシンク２０の下面を積層方向に加圧する加圧板５２の加圧面５２ａが凹面で形成され、パワーモジュール用基板１０の上面（回路層１２の上面）を積層方向に加圧する加圧板５１の加圧面５１ａが凸面で形成されている。なお、図示は省略するが、加圧治具５０には、加圧板５１，５２を積層方向に付勢して加圧力を付与するばね等の付勢手段が備えられている。なお、加圧板５１，５２として、平板を用いることもできる。
そして、このように構成される加圧治具５０の加圧板５１と加圧板５２との間に、パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク２０を重ねて配置し、これらを積層方向に挟んだ状態とする。この際、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との積層体は、加圧板５１の加圧面５１ａと加圧板５２の加圧面５２ａとにより、積層方向（厚み方向）に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けて凸状とする変形（反り）を生じさせた状態に保持される。そして、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との積層体を、この加圧治具５０による加圧状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面とヒートシンク２０の上面（被覆層２２）とを固相拡散接合により接合する。
この場合、固相拡散接合は、真空雰囲気中で、加圧荷重（加圧力）０．１ＭＰａ〜３．５ＭＰａ、加熱温度４５０℃以上５４８℃未満の加熱温度で、５分〜２４０分保持することにより行う。これにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク２０（被覆層２２）とは、金属層１３の銅原子と、ヒートシンク２０（被覆層２２）のアルミニウム原子とが相互拡散することにより、拡散層（図示略）を形成して接合される。
次に、このパワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体を、加圧治具５０に取り付けた状態、つまり、加圧した状態で、３０℃まで冷却する。この場合、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体は、加圧治具５０により厚み方向に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けた凸状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形ができない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じる。そして、３０℃まで冷却した後に、加圧治具５０による加圧を解放してヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造する。
このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、剛性の高い銅又は銅合金からなる金属層１３の厚みｔ２を大きく（厚く）したので、金属層１３の表裏面（上下面）に沿う応力差に対して金属層１３の抵抗力が支配的となる。このため、セラミックス基板１１と、ヒートシンク２０を形成するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体とは、わずかながら線膨張率に差があるが、セラミックス基板１１とヒートシンク２０との線膨張差に起因する反りを低減できる。したがって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の全体に生じる反りを低減できる。
ただし、金属層１３の厚みｔ２を大きくしすぎると、例えば、半導体素子の接合等、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した際に、金属層１３の熱伸縮により、セラミックス基板１１に割れ（クラック）が生じるおそれがある。この場合、回路層１２の厚みｔ１が金属層１３の厚みｔ２より大きいと、回路層１２の熱伸縮の影響が大きくなるため、反りが生じる。そこで、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、回路層１２の厚みｔ１を０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内で形成し、金属層１３の厚みｔ２を厚みｔ１より大きく形成するとともに０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内で形成して、さらに回路層１２と金属層１３との関係を比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内に調整することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１全体としてのバランスを図り、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の全体の反りを低減している。
そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、ヒートシンク２０の下面（裏面）において、図６及び図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ヒートシンク２０と金属層１３との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅの最大長さをＬとし、ヒートシンク２０の変形量をＺとし、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、これらの反りＸと反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下となり、高温時（２８５℃）と低温時（３０℃）との反りの変化量を小さくできる。なお、ここで、ヒートシンク２０の変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク２０の下面側に凸の変形を負とした。
なお、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１においては、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘが−５０×１０−６（ｍｍ−１）以上５０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされ、２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｙが−５０×１０−６（ｍｍ−１）以上５０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされる。
反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘ及び値Ｙが、５０×１０−６（ｍｍ−１）を超える場合では、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、ヒートシンク２０と水冷式冷却器との間に使用するグリースの量が多く必要となり、熱抵抗が上昇するおそれがある。また、反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘ及び値Ｙが、−５０×１０−６（ｍｍ−１）未満となった場合、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、セラミックス基板１１に負荷がかかり、割れなどが生じるおそれがある。
以上説明したように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、パワーモジュールの製造時に生じる反りを低減でき、熱処理過程における反り変形を抑制できるので、電子部品３０のはんだ付け等の製造工程における作業性の向上や、パワーモジュールの冷熱サイクル負荷に対する信頼性を向上できる。
なお、回路層の厚みｔ１が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板１１と回路層１２との接合に用いた接合材が加熱時に回路層１２の表面にしみだすおそれがあり、厚みｔ１が３．０ｍｍを超えると、例えば半導体素子の接合等のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した際に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
また、金属層１３の厚みｔ２が０．１５ｍｍ未満では、金属層１３の厚みｔ２を大きくしたことによる、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。そして、厚みｔ２が５．０ｍｍを超えると、例えば半導体素子の接合等のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した際に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。
以下、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。
表１に記載されるように、回路層の材質（耐力σ１）、回路層の厚みｔ１及び接合面積Ａ１と、金属層の材質（耐力σ２）、金属層の厚みｔ２及び接合面積Ａ２とを変更したパワーモジュール用基板を複数製造した。そして、各パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを固相拡散接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。
回路層となる銅板には、表１に示されるように、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用い、金属層となる銅板には、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。また、セラミックス基板は、ＡｌＮ（線膨張率：４．５×１０−６／Ｋ）からなる厚み０．６３５ｍｍ、平面サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍの矩形板を用いた。そして、各銅板とセラミックス基板との接合にはＡｇ‐Ｔｉ系活性金属ろう材を用い、銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板を積層し、積層方向に加圧荷重０．１ＭＰａ、加熱温度８５０℃、加熱時間１０分で加圧しながら加熱して、回路層となる銅板とセラミックス基板、金属層となる銅板とセラミックス基板をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板を製造した。
なお、表１の接合面積Ａ１と接合面積Ａ２は、それぞれ回路層又は金属層となる銅板の平面サイズから算出した値であり、これらの値を用いて表２に示す比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝を算出した。
ヒートシンクは、炭化珪素（ＳｉＣ）にＡｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体（線膨張率：８．５×１０−６／Ｋ）からなり、全体が厚み５．０ｍｍ、平面サイズ５０ｍｍ×６０ｍｍの矩形板とされ、表裏面の被覆層が１００μｍに形成されたものを用いた。そして、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの固相拡散接合は、表２に記載したように、曲率半径Ｒの加圧面を有する加圧板を用いて、真空雰囲気中で、加圧荷重２．１ＭＰａ、加熱温度５１０℃、加熱時間１５０分で加圧・加熱して行った。なお、曲率半径Ｒが「∞」の場合は、加圧面が平面であることを表す。
そして、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板の各試料について、「変形量Ｚ」、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」を、それぞれ評価した。
変形量Ｚの測定は、（１）２８５℃加熱時、（２）２８５℃加熱後に３０℃まで冷却したときの測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク下面（裏面）の平面度の変化を、ＪＥＳＤ２２Ｂ１１２やＪＥＩＴＡ ＥＤ−７３０６に準拠するモアレ干渉法により測定した。
モアレ干渉法は、一定のピッチ、幅で形成された回折格子を介して測定光を測定面に照射し、その測定面で散乱した散乱光を回折格子を介して撮像部で撮像することにより、モアレ干渉縞を得て、そのモアレ干渉縞と回折格子のピッチや幅等の情報に基づいて、測定面の変形量を測定する方法である。なお、測定装置は、ＡｋｒｏＭｅｔｒｉｘ社製のＴｈｅｒｍｏｉｒｅ ＰＳ２００を用いた。
本実施例では、図６に示すように、ヒートシンク２０と金属層１３との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅ（図７（ａ）〜（ｃ）参照）におけるヒートシンクの下面の変形量Ｚを測定した。また、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正とし、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とした。
測定範囲Ｅは、図６及び図７（ａ）に示すように、Ｗ：３６ｍｍ×Ｈ：３６ｍｍの矩形状の範囲であり、この場合、測定範囲Ｅの対角線の長さが最大長さＬとなる。また、変形量Ｚは、図７（ｂ）又は（ｃ）に示すように、測定範囲Ｅの対角線上における測定値の最大値と最小値との差である。そして、変形量Ｚと最大長さＬから、反り（Ｚ／Ｌ２）を算出した。
セラミックス割れは、上記加熱試験後に超音波探傷器によってセラミックス基板を観察し、セラミックス基板にクラックが生じていれば不合格「×」、クラックが生じていなければ合格「○」を判定した。
また、素子位置ずれは、電子部品を回路層にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を、試料を３０個製作して確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を不合格とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は合格と評価した。
そして、試料３０個について行った各評価において、合格の比率が９０％以上の場合を「○」、合格の比率が９０％未満の場合を「×」と評価した。表３に結果を示す。
Figure 2018148064
Figure 2018148064
Figure 2018148064
表１〜３からわかるように、厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、厚みｔ２が０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、厚みｔ２が厚みｔ１よりも大きく形成され、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内とされるＮｏ．２〜１４の試料については、差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下となった。そして、これらＮｏ．１〜１４の試料においては、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」のいずれの評価においても良好な結果が得られた。
一方、比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝の条件が、上記範囲から外れるＮｏ．１５，１６，１９の試料については、差分（Ｙ−Ｘ）が−１８×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下の範囲から外れ、反りの変化量が大きく、「素子位置ずれ」が発生した。また、厚みｔ２が５．０ｍｍを超えるＮｏ．１７の試料では、反りの変化量が大きく、２８５℃加熱後にセラミックス基板に割れが生じていた。厚みｔ１が３．０ｍｍを超え、厚みｔ２が５．０ｍｍを超えるＮｏ．１８では、反りの変化量は小さいものの、２８５℃加熱後にセラミックス基板に割れが生じていた。
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
２０ ヒートシンク
２１ 多孔質体
２２ 被覆層
３０ 電子部品
５０ 加圧治具
５１，５２ 加圧板
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (2)

  1. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設された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金属層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを備え、
    前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）としたときに、
    前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、
    前記厚みｔ２が０．１５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されるとともに、前記厚みｔ１よりも大きく形成されており、
    比率｛（σ２×ｔ２×Ａ２）／（σ１×ｔ１×Ａ１）｝が１．５以上１５以下の範囲内とさ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用基板。
  2. 前記ヒートシンクの下面において、
    前記ヒートシンクと前記金属層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、
    前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、
    ２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＸとし、
    前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＹとしたときに、
    前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
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