JP2019106422A - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール用基板およびパワーモジュール Download PDF

Info

Publication number
JP2019106422A
JP2019106422A JP2017236957A JP2017236957A JP2019106422A JP 2019106422 A JP2019106422 A JP 2019106422A JP 2017236957 A JP2017236957 A JP 2017236957A JP 2017236957 A JP2017236957 A JP 2017236957A JP 2019106422 A JP2019106422 A JP 2019106422A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal plate
power module
ceramic substrate
substrate
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017236957A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7018756B2 (ja
Inventor
浩二 早川
Koji Hayakawa
浩二 早川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2017236957A priority Critical patent/JP7018756B2/ja
Publication of JP2019106422A publication Critical patent/JP2019106422A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7018756B2 publication Critical patent/JP7018756B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4912—Layout
    • H01L2224/49175—Parallel arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

【課題】 信頼性に優れたパワーモジュール用基板等を提供すること。【解決手段】 セラミック基板１と、該セラミック基板１の表面にろう材３を介して接合された金属板２と、を備えており、前記ろう材３の熱膨張率は前記金属板２の熱膨張率より大きく、前記ろう材３は、前記金属板２とは前記金属板２の外周まで接合され、前記セラミック基板１とは前記金属板２の外周より内側で接合されているパワーモジュール用基板１０および該パワーモジュール用基板１０と前記金属板２上に搭載された電子部品１１とを備えるパワーモジュール１００。【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック基板に接合された金属板を有するパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。
従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパ
ワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板として、例えば、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。
パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。ヒートサイクルの耐久性向上のために、金属板とセラミック基板とを接合する接合層の外周端部を、金属板の下端部より外側あるいは内側に位置させたものがある（例えば特許文献１を参照。）。
特開平１０−３２６９４９号公報
近年では搭載されるパワー半導体素子等の電子部品の発熱量がより大きくなっており、パワーモジュールに対してより高い信頼性が求められている。繰り返し加わる熱応力によって金属板がセラミック基板から剥がれる可能性がより低減される構造のパワーモジュール用基板が求められている。
本発明の１つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面にろう材を介して接合された金属板と、を備えており、前記ろう材の熱膨張率は前記金属板の熱膨張率より大きく、前記ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周と接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されている。
本発明の１つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品とを備える。
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属板の外縁部において、ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周と接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されていることから、熱応力によって金属板がセラミック基板から剥がれる可能性を低減することができる。
本発明の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、接合信頼性が向上したものとなる。
（ａ）はパワーモジュール用基板およびパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）はパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の一例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。
図１（ａ）はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図２は図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。
パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１と、セラミック基板１の表面にろう材３を介して接合された金属板２とを備えており、ろう材３の熱膨張率は金属板２の熱膨張率より大きく、ろう材３は、金属板２とは金属板２の外周まで接合され、セラミック基板１とは前記金属板２の外周より内側で接合されている。言い換えれば、金属板２の外縁部において、ろう材３は金属板２とは接合しているが、セラミック基板１とは接合していない。金属板２の外縁部においては、金属板２とセラミック基板１との間には、金属板２に接合されたろう材３とろう材３とセラミック基板１との間の空間がある。
パワーモジュール用基板１０が加熱または冷却されると、主に金属板２とセラミック基板１との間に熱応力が発生する。そして、冷却時には金属板２の熱収縮が大きいので、金属板２側が凹となるように反り、金属板２の外縁部がセラミック基板１から剥がれるような挙動を示す。しかしながら上記構成のパワーモジュール用基板１０においては、金属板２はその外周までセラミック基板１に接合されていないので、外周まで接合されている場合に比較して熱応力が小さくなる。そして、セラミック基板１の上面に接合された金属板２の下面の外縁部には、金属板２の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有するろう材３が接合されている。そのため、金属板２の外縁部においては、金属板２よりも熱収縮の大きいろう材３側に金属板２が反るような挙動を示す。これによって、金属板２がセラミック基板１から剥がれるような挙動が抑えられる。すなわち、ヒートサイクル等の熱応力負荷によって金属板２がセラミック基板１から剥がれる可能性が低減される。
パワーモジュール１００は、図１に示す例のように、上記のようなパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１とで基本的に構成されている。電子部品１１は、パワーモジュール用基板１０の金属板２の上に搭載され、接合材１１ａで固定されている。このようなパワーモジュール１００によれば、上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えていることから、ヒートサイクル等に対する信頼性が向上したものとなる。
図３（ａ）および図３（ｂ）はパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図であ
る。図１に示す例のパワーモジュール１００に対して、電子部品１１、金属板２およびセラミック基板１を覆う封止樹脂１３等を備えている例である。図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。図３（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。
このような封止樹脂１３もまた、一般的にセラミック基板１よりも大きい熱膨張率を有している。そのため、ヒートサイクル等によって封止樹脂１３もまたセラミック基板１から剥がれる可能性がある。上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えるパワーモジュール１０１，１０２においては、封止樹脂１３は金属板２の外縁部とも接合されている。そのため、パワーモジュール１０１，１０２にヒートサイクルが加わった際には、上記のように金属板２の外縁部がろう材３側、すなわちセラミック基板１側に反るので、金属板２の外縁部に接合されている封止樹脂１３をセラミック基板１側へ押さえるような挙動を示す。これによって、封止樹脂１３がセラミック基板１から剥がれる可能性が低減される。つまり、封止信頼性の向上したパワーモジュール１０１，１０２となる。金属板２の外縁部のろう材３とセラミック基板１との間の空間に封止樹脂１３が入り込んでいる場合には、金属板２の外縁部の下面（セラミック基板１側の面）によって封止樹脂１３が抑えられるので、さらに封止信頼性が向上したものとなる。
図４〜図１０は、図２と同様の、パワーモジュール用基板１０の要部を拡大して示す断面図である。図４〜図１０における二点鎖線は、金属板２の最外端部に接する、セラミック基板１の表面（上面）に対する垂線を示している。図２に示す例のパワーモジュール用基板１０の金属板２の側面は、セラミック基板１の表面（上面）に対してほぼ垂直で平坦である。これに対して、図４〜図１０に示す例の金属板２の側面は、セラミック基板１とは反対側の外周端部（図４〜図１０においては上端部）より内側に位置する部分を有している。図４および図９に示す例では、金属板２の側面は上端部がセラミック基板１側の外周端部（図４および図９においては下端部、以下図５〜図８および図１０においても同じ。）より外側に位置する、傾斜した平坦な傾斜面である。上端部に対して下端部は図に示す矢印の長さだけ内側に位置している。図５および図６に示す例では、側面２は凹面（凹曲面）である。図５に示す例では、金属板２の上端部と下端部の平面方向における位置は同じであり、最外端部は上端および下端である。これに対して、図６に示す例では、金属板２の上端は下端より内側に位置しているが、凹面のもっとも内側の底部は、上端よりも内側に位置している。図７，図８および図１０に示す例では、側面２は金属板２の上端より少し下から凹面となっている。
このように、金属板２の側面が、セラミック基板１とは反対側の外周端部より内側に位置する部分を有しているパワーモジュール用基板１０とすることができる。このような構成であると、金属板２の側面の下側（セラミック基板１側）に封止樹脂１３が入り込むこととなり、金属板２の側面で封止樹脂１３が押さえられ、また金属板２と封止樹脂１３との接合面積が増えるので、封止樹脂１３がセラミック基板１から剥がれ難くなり、より封止信頼性の高いパワーモジュール１０１，１０２となる。また、金属板２の外縁部のろう材３とセラミック基板１との間の空間に封止樹脂１３が入り込まなくてもこのような効果を奏することができる。
図５および図６に示す例のように、金属板２の側面全体が凹面である場合には、金属板２の下端（セラミック基板１側の外周端部）よりも凹面の底部は内側に位置している。そのため、金属板２の側面が傾斜面である場合と比較して、封止樹脂１３が入り込む部分を設けるために金属板２の上端を下端よりも外側に突出させる必要がないので、封止樹脂１
３の入り込む最大長さ（図に矢印で示す長さ）が同じであっても側面が凹面である場合には金属板２が不要に大型化することがない。図７，図８および図１０に示す例のように、側面全体が凹面でなく、側面の厚み方向の一部が凹面である、言い換えれば側面に凹面の凹部がある場合も同様である。また、これらのような凹面でなくても、凹部があれば同様である。つまり、金属板２は、側面に凹部を有しているものとすることができる。凹部の形状としては、上記のような凹面（凹曲面）であると封止樹脂１３が入り込みやすいので、より確実に上記効果を奏するものとなる。
図５に示す例のように、金属板２の側面全体が凹面である場合には、金属板２の上面（セラミック基板１とは反対側の面）と側面との間の角（上端の角）が鋭角になる。隣り合う金属板２同士の間隔が小さいと金属板に大きな電流が印可された場合に、隣り合う金属板２の上端の角の間で放電が発生して絶縁不良となる可能性がある。これに対して、図６に示す例では、側面の全体が凹面であるが、金属板２の上端は下端より内側に位置しており、隣り合う金属板２間において上端の角間の距離が大きくなるので、上記放電が発生する可能性が低減される。図７に示す例では、金属板２の上端よりセラミック基板１側に凹部が設けられているので、上端の角は鋭角ではない。この場合は、上端の角が鋭角である場合に比較して上端の角への電流の集中が抑えられるので、上記放電が発生する可能性が低減される。さらには、図８に示す例では、上端の角が丸められているので、上記放電が発生する可能性が低減される。放電が発生する可能性が低減されることから、隣り合う金属板２間の距離を小さくすることができるので、配線導体である金属板２をセラミック基板１上に高密度に配置することができ、より小型のパワーモジュール用基板１０とすることができる。これは、図４に示す例のような金属板２の側面が傾斜面である場合にも適用でき、金属板２の側面において上端よりセラミック基板１側を傾斜面としたり、図９に示す例のように上端の角を丸めたりすることができる。
図１０に示す例は、金属板２の側面の形状は図８に示す例と同じであるが、ろう材３の形状が異なっている。この例のように。ろう材３の金属板２側の部分が金属板２の外周より外側に突出しているものとすることができる。パワーモジュール用基板１０がこのような構成であると、パワーモジュール用基板１０を覆う封止樹脂１３を備えるパワーモジュール１０１，１０２の場合に、ろう材３の突出した部分が封止樹脂１３に食い込むので、封止樹脂１３がセラミック基板１からより剥がれ難くなり、より封止信頼性の高いパワーモジュール１０１，１０２となる。
セラミック基板１は、セラミックス焼結体からなり、金属板２を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板１は、セラミック基板１の表面に接合された複数の金属板２の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、セラミック基板１の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。セラミック基板１の大きさはパワーモジュール１００の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば。厚みは０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍで、平面視の大きさは１辺の長さが１０ｍｍ〜２００ｍｍの矩形状とすることができる。
セラミック基板１のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体および窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体などを用いることができる。セラミック基板１は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。
金属板２は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では９９％以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板２における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ１２と金属板２との接合強度の向上に関して有
利である。金属板２の大きさおよび形状もまた、パワーモジュール１００の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば。厚みは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。
図１に示す例のパワーモジュール用基板１０においては、セラミック基板１の上面の中央部に接合された金属板２、この金属板２を挟むように配置されて接合された一対の金属板２およびセラミック基板１の下面に接合された金属板２を備えている。この例では、セラミック基板１の上面に接合された金属板２は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。金属板２の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。
ろう材３は、金属板２の材料より熱膨張率が大きいものであり、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含む、銀−銅（Ａｇ−Ｃｕ）系の活性ろう材である。Ａｇ−Ｃｕ系ろう材としては、例えばＢ−Ａｇ８（ＪＩＳ Ｚ ３２６１−１９８５）を用いることができる。Ｂ−Ａｇ８銀ろう材の熱膨張率は、金属板２の銅の熱膨張率より大きい。
ろう材３が金属板２とは接合され、セラミック基板１とは接合されていない部分は、金属板２の大きさにもよるが、例えば、金属板２のセラミック基板１側の面の外周から０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲とすることができる。
ろう材３が、金属板２とは金属板２の外周まで接合され、セラミック基板１とは金属板２の外周より内側で接合されたパワーモジュール用基板１０は、例えば以下のようにして作製することができる。図１１は、パワーモジュール用基板１０の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。この例では、簡易的に、セラミック基板１の上面に金属板２が１つだけ接合されている構成のパワーモジュール用基板１０を作製する例を示している。
まず、図１１（ａ）に示すように、セラミック基板１上に流れ防止材２４の膜を形成する。流れ防止材２４の形状は、パワーモジュール用基板１０におけるろう材３のセラミック基板１に接合する部分の形状の開口を有する形状である。流れ防止材２４は、後述する接合工程において消失せず、金属板２のセラミック基板１への接合後には容易に除去できるものである。例えば、接合工程における加熱で焼結しないセラミック粉末（例えば、ＴｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３等）のペーストである。セラミック基板１の上面に、流れ防止材２４のペーストをスクリーン印刷等で所定形状に塗布して乾燥させることで流れ防止材２４の膜を形成することができる。
次に、図１１（ｂ）に示すように、外縁部が流れ防止材２４と重なるようにろう材ペースト２３を塗布する。ろう材ペースト２３の形状は、金属板２の形状と同じである。ろう材ペースト２３は、上記ろう材３（活性ろう材）となる粉末に溶剤やバインダー等を加えて混錬することで作製することができる。
次に、図１１（ｃ）に示すように、ろう材ペースト２３の上に金属素板２２を載置して、例えば、真空状態で８３０℃程度の加熱処理をすることによって金属素板２２をセラミック基板１の上面に接合する。このとき、流れ防止材２４とろう材ペースト２３とが重なっている部分では、ろう材３は金属素板２２だけに接合され、セラミック基板１の上面には接合されない。
次に、図１１（ｄ）に示すように、金属素板２２の上面にエッチングマスク２５を形成する。エッチングマスク２５は、フィルム状のレジスト材を金属素板２２の上面に貼り付ける、あるいは液状のレジスト材を金属素板２２の上面に塗布するなどして、フォトリソ
法によって金属板２に対応する部分以外を除去して形成することができる。液状の樹脂を金属板２の形状に印刷してエッチングマスク２５を形成することもできる。
次に、図１１（ｅ）に示すように、金属素板２２のエッチングマスク２５で覆われていない部分をエッチングによって除去し、所定形状の金属板２２を形成する。このとき、エッチング条件によって、金属板２の側面の形状を設定することができる。オーバーエッチングによって、金属板２の側面を凹面等にすることができる。
そして、図１１（ｆ）に示すように、エッチングマスク２５および流れ防止材２４を除去することでパワーモジュール用基板１０となる。流れ防止材２４が除去されると、金属板２の外縁部では、ろう材３は金属板２とは接合され、セラミック基板１の上面とは接合されず、ろう材３とセラミック基板１の上面との間に空間が形成される。流れ防止材２４はセラミック粉末の凝集体のようなものであるので、ブラスト等で容易に除去することが可能である。例えば、エッチングマスク２５を除去した後にこのブラスト処理を行なうことで、金属板２の上面と側面の間の角（上端の角）を丸めることもできる。
図１１に示す例では、セラミック基板１と同程度の大きさの金属素板２２を接合した後にエッチングによって金属板２の大きさに加工しているが、金属素板２２にプレス加工や切削加工等の機械加工やエッチング加工等の化学加工を施して、あらかじめ所定形状の金属板２としたものをセラミック基板１に接合することもできる。このときの加工によって、金属板２の側面を所定形状に加工することができる。また、セラミック基板１の代わりにより大型のセラミック基板の上に大型の金属素板２２を接合してエッチング加工し、複数のパワーモジュール用基板１０が一体となった多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割することで複数のパワーモジュール用基板１０を作製することもできる。多数個取りパワーモジュール基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板１０（領域）の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品１１を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール１００の生産性を効果的に高めることもできる。
また、ろう材３は活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板１の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層（図示せず）を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板１の表面の所定位置に形成することができる。上記製造方法において、金属板２の平面視の大きさよりも一回り小さい下地金属層を設けたセラミック基板１を準備し、流れ防止材２４を設けず、活性金属を含まないろう材ペースト２３を金属板２の大きさと同程度のパターンで塗布することで、ろう材３が、金属板２とは金属板２の外周まで接合され、セラミック基板１とは金属板２の外周より内側で接合される。
金属板２およびろう材３の露出面には、金属皮膜（図示せず）を設けることができる。この金属皮膜は、電子部品１１の接合材１１ａによる金属板２への接合性を高めるための皮膜である。そのため、パワーモジュール１００，１０１，１０２において電子部品１１が搭載される領域に部分的に設けることもできる。この場合は、金属板２の搭載領域に凹部を設け、金属皮膜を凹部の底面に設けることができる。
金属皮膜は、例えばめっき法によってセラミック基板１に接合された金属板２の上面に形成することができる。金属皮膜を部分的に設ける場合は、めっき工程において、金属板２の上面における金属皮膜を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材（レジスト膜）でカバーしておけば、金属皮膜を金属板２の上面の一部にのみ設けることができる。
金属皮膜の表面は、例えば、銀層または金層からなるものとすることができる。このような金属皮膜が配置されていると、金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材１１ａを介して電子部品１１を金属板２の表面（上面）に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。
金属皮膜を複数層で構成する場合には、金属板２と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜の金属板２への接合強度を向上させることができる。金属皮膜を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板２側から、ニッケル／パラジウム／銀（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｇ）、ニッケル／パラジウム／金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜の金属板２に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材（金属板２）に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜が金属板２の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材１１ａとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜上に電子部品１１を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。
また、金属皮膜が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜が、セラミック基板１の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板２から金属皮膜への銅等の金属の拡散を抑制することができることから、金属皮膜の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。
接合材１１ａとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品１１の金属板２への接合性が高いものとなる。
金属皮膜が部分的に設けられる場合の金属板２の表面の凹部は、平面視の寸法が搭載される電子部品１１の寸法より一回り大きく、金属皮膜と同程度の大きさである。凹部の深さは、例えば２μｍ〜２０μｍである。凹部は、金属板２の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜を形成する位置に開口を設けた被覆材（マスク）を金属板２の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部を形成することができる。そのため、上述した被覆材を用いためっき法による金属皮膜の形成の前に凹部の形成を行なうことで、効率よく凹部と金属皮膜の形成ができる。
また、セラミック基板１の下面に接合された金属板２の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板２の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板２をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。
上記のようなパワーモジュール用基板１０に電子部品１１を搭載することで、図１に示す例のようなパワーモジュール１００となる。パワーモジュール１００は、例えば、自動車などに用いられ、ＥＣＵ（engine control unit）およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール１００は、このよ
うな車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
図１に示す例のパワーモジュール１００においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２の上に、１つの電子部品１１が搭載されている。電子部品１１が搭載された金属板２を挟むように配置されて接合された金属板２と電子部品１１とはボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。この外側の金属板２は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品１１で発生した熱は、セラミック基板１の上面に接合された金属板２およびセラミック基板１を介してセラミック基板１の下面に接合された金属板２に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。電子部品１１の数、大きさおよび搭載位置等については、図１に示す例に限られるものではない。
電子部品１１は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばＳｉを用いたＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）やＩＧＢＴといったトランジスタ、あるいはＳｉＣやＧａＮを用いたパワー素子があげられる。
電子部品１１は、接合材１１ａによってパワーモジュール用基板１０の金属板２に接合されて固定される。接合材１１ａは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属板２の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品１１の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品１１の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材１１ａのフィレットが形成されるので、電子部品１１の金属板２（金属皮膜）への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材１１aによって覆わ
れて露出しないので、後述する封止樹脂１３の接合性が向上する。
ボンディングワイヤ１２は、電子部品１１の端子電極（不図示）と金属板２とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ１２としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。
図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。金属板２の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、封止樹脂１３は、不活性な銀層または金層である金属皮膜が形成されていない金属板２の上面等に接合されるので、樹脂層１３による電子部品１１の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂１３は、セラミック基板１の下面に接合された金属板２の主面（下面）は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板２を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール１０１とすることができる。また、端子として機能する金属板２は、セラミック基板１からはみ出す長さであり、封止樹脂１３からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板２と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
封止樹脂１３には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
図３（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。
筐体１４は、枠体１５と、この枠体１５の一方の開口を塞ぐ放熱板１６とで構成されており、枠体１５と放熱板１６とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体１４の枠体１５を貫通して外部へ導出されたリード端子１７を備えている。そして、リード端子１７の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板１０の金属板２とがボンディングワイヤ１２で接続されている。これにより、電子部品１１と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
枠体１５は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板１６により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板１０を収納する内側空間を形成している。枠体１５に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、ＰＢＴ樹脂を用いることが望ましい。また、ＰＢＴ樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
リード端子１７は、内側空間から枠体１５を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子１７の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板１０の金属板２と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路（図示せず）または電源装置（図示せず）などと電気的に接続される。このリード端子１７は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばＣｕおよびＣｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金、ＦｅおよびＦｅ合金、ステンレススチール（ＳＵＳ）等を用いることができる。
放熱板１６は、動作時に電子部品１１で生じた熱を、パワーモジュール１０２の外部に放熱するためのものである。この放熱板１６には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、ＡｌはＦｅなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品１１で生じた熱をより効率的にパワーモジュール１０２の外部に放熱できるので、電子部品１１を安定して正常に動作させることが可能となる。また、ＡｌはＣｕあるいはＣｕ−Ｗなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール１０２の低コスト化にも有利になる点で優れている。
放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂１３によって接合してもよい。
封止樹脂１３は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂１３で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
パワーモジュール１０２は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板１６の、パワーモジュール用基板１０が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材１９を介して冷却器１８を接合してもよい。この伝熱性接合材１９は上記した、放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図３（ｂ）に示す例では、冷却器１８は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器１８は、図１または図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１００，１０１にも適用することができ、パワーモジュール用基板１０の金属板２に接続
すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図３（ｂ）に示す放熱板１６だけを冷却器１８として適用することもできる。
１・・・セラミック基板
２・・・金属板
３・・・ろう材
１０・・・パワーモジュール用基板
１１・・・電子部品
１１ａ・・・接合材
１２・・・ボンディングワイヤ
１３・・・封止樹脂
１４・・・筐体
１５・・・枠体
１６・・・放熱板
１７・・・リード端子
１８・・・冷却器
１９・・・伝熱性接合材
２２・・・金属素板
２３・・・ろう材ペースト
２４・・・流れ防止材
２５・・・エッチングマスク
１００，１０１，１０２・・・・パワーモジュール

Claims (6)

  1. セラミック基板と、
    該セラミック基板の表面にろう材を介して接合された金属板と、を備えており、
    前記ろう材の熱膨張率は前記金属板の熱膨張率より大きく、
    前記ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周まで接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されているパワーモジュール用基板。
  2. 前記金属板の側面は、前記セラミック基板とは反対側の外周端部より内側に位置する部分を有する請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
  3. 前記金属板は、側面に凹部を有している請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
  4. 前記ろう材は、前記金属板側の部分が前記金属板の外周より外側に突出している請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、
    該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。
  6. 前記電子部品、前記金属板および前記セラミック基板を覆う封止樹脂を備える請求項５に記載のパワーモジュール。
JP2017236957A 2017-12-11 2017-12-11 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール Active JP7018756B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017236957A JP7018756B2 (ja) 2017-12-11 2017-12-11 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017236957A JP7018756B2 (ja) 2017-12-11 2017-12-11 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019106422A true JP2019106422A (ja) 2019-06-27
JP7018756B2 JP7018756B2 (ja) 2022-02-14

Family

ID=67061577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017236957A Active JP7018756B2 (ja) 2017-12-11 2017-12-11 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7018756B2 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020053580A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 京セラ株式会社 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
WO2021039816A1 (ja) * 2019-08-29 2021-03-04 京セラ株式会社 電気回路基板及びパワーモジュール

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006240955A (ja) * 2005-03-07 2006-09-14 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。
JP2013071880A (ja) * 2011-09-29 2013-04-22 Hitachi Metals Ltd 接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニット
JP2015070107A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 三菱電機株式会社 半導体装置およびその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006240955A (ja) * 2005-03-07 2006-09-14 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。
JP2013071880A (ja) * 2011-09-29 2013-04-22 Hitachi Metals Ltd 接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニット
JP2015070107A (ja) * 2013-09-30 2015-04-13 三菱電機株式会社 半導体装置およびその製造方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020053580A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 京セラ株式会社 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
JP7117960B2 (ja) 2018-09-27 2022-08-15 京セラ株式会社 パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
WO2021039816A1 (ja) * 2019-08-29 2021-03-04 京セラ株式会社 電気回路基板及びパワーモジュール
JPWO2021039816A1 (ja) * 2019-08-29 2021-03-04
JP7221401B2 (ja) 2019-08-29 2023-02-13 京セラ株式会社 電気回路基板及びパワーモジュール
EP4024444A4 (en) * 2019-08-29 2023-09-20 Kyocera Corporation ELECTRICAL CIRCUIT BOARD AND ENERGY MODULE

Also Published As

Publication number Publication date
JP7018756B2 (ja) 2022-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7483955B2 (ja) パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
US8860196B2 (en) Semiconductor package and method of fabricating the same
JP2008016818A (ja) 半導体装置およびその製造方法
US20200194386A1 (en) Semiconductor device
JP2015005681A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP7204174B2 (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP4967701B2 (ja) 電力半導体装置
JP7237647B2 (ja) 回路基板および電子装置
JP2017017109A (ja) 半導体装置
JP7018756B2 (ja) パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
US8450842B2 (en) Structure and electronics device using the structure
JP7117960B2 (ja) パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
CN108735722B (zh) 半导体装置及半导体装置的制造方法
JP7221401B2 (ja) 電気回路基板及びパワーモジュール
JP2007096252A (ja) 液冷式回路基板および液冷式電子装置
JP2017028174A (ja) 半導体装置
US11626333B2 (en) Semiconductor device
CN112018058B (zh) 一种电力逆变器模块及其制造方法
JP5039388B2 (ja) 回路装置
WO2019163941A1 (ja) パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
JP2020072130A (ja) 電気回路基板及びパワーモジュール
JP2016219707A (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP7170501B2 (ja) パワーモジュール用基板およびパワーモジュール
US20210257269A1 (en) Semiconductor device
JP2013229377A (ja) 回路基板およびそれを用いた電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200710

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210519

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210611

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210805

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20210830

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220111

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220201

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7018756

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150