JP5303936B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

この種のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、絶縁性のセラミックス基板の一面側に回路層が形成され、セラミックス基板の他面側に金属層が形成されたものが広く提案されている。
このようなパワーモジュール用基板は、回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されることでヒートシンク付のパワーモジュールが構成される。
特開２００４−３１１６５０号公報 特開２００１−１４８４５１号公報

ところで、前述のパワーモジュール用基板を用いてパワーモジュールを製造する際には、回路層の表面にメッキを施すメッキ工程や乾燥工程、回路層に半導体チップ等の電子部品をはんだ接合するはんだ付け工程等の熱処理を含む工程を行う必要がある。そこで、パワーモジュール用基板には、パワーモジュールを製造する際の熱履歴や使用環境下での熱サイクルによって熱応力が作用することになる。最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、前述の熱応力が必要以上に大きくなる傾向にある。

ここで、抗折強度が比較的低いＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板においては、前述の熱応力によってセラミックス基板に亀裂が発生するおそれがあった。セラミックス基板に亀裂が発生すると、回路層と金属層及びヒートシンクとの絶縁性が低下してしまうことになる。
一方、抗折強度の高いＳｉ_３Ｎ_４等からなるセラミックス基板においては、熱応力による亀裂の発生を抑制できるものの熱伝導が低いために、電子部品等で発生した熱を面方向に拡散させることができなくなってしまう。熱の放散を確保するために回路層を厚くした場合には、電子部品と回路層との熱膨張率の差によってはんだ層に亀裂が発生してしまうおそれがあった。

このように、従来のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の抗折強度の向上による亀裂発生の防止及びセラミックス基板の熱伝導性向上による放熱の促進とを両立させることは困難であった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、製造時の熱履歴や使用環境下での熱サイクルによって万が一亀裂が発生してもセラミックス基板の絶縁性を確保できるとともに、熱伝導性がよく熱を面方向に拡散することが可能なパワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックスからなる基板本体と、この基板本体の一面側に積層されて回路層を形成する金属板と、を備えたパワーモジュール用基板であって、少なくとも前記基板本体と前記金属板との間には、前記基板本体とは異なるセラミックスからなる補助板が配設されており、前記基板本体がＳｉ _３ Ｎ _４ で構成されるとともに、前記補助板がＡｌＮで構成され、前記基板本体と前記補助板との間には、延性を有する金属からなる緩衝層が設けられており、前記基板本体と前記緩衝層がろう材によって接合されているとともに、前記緩衝層と前記補助板がろう材によって接合されていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体がＳｉ _３ Ｎ _４ で構成されるとともに補助板がＡｌＮで構成され、基板本体及び補助板とが、互いに異なる抗折強度及び異なる熱伝導度を有するセラミックスで構成されているので、製造時の熱履歴や使用時の熱サイクルによって熱応力が作用して抗折強度が低いセラミックスで構成された基板本体及び補助板の一方に亀裂が発生したとしても、抗折強度が高いセラミックスで構成された基板本体及び補助板の他方には亀裂が生じにくく、全体として絶縁性を確保することが可能となる。なお、前記基板本体の他面側にヒートシンクが配設された場合には、使用時に基板本体及び補助板に熱応力が作用しやすくなるため、補助板を配設することが特に効果的である。
さらに、熱伝導度の高いセラミックスによって構成された基板本体及び補助板の一方によって電子部品等に発生した熱を面方向に拡散させることが可能となる。

ここで、前記基板本体と前記補助板との間には、延性を有する金属からなる緩衝層が設けられており、前記基板本体と前記緩衝層がろう材によって接合されているとともに、前記緩衝層と前記補助板がろう材によって接合されている
この場合、回路層を形成する金属板を補助板にろう付けするろう付け工程において、基板本体と補助板とをろう付けすることが可能となり、このパワーモジュール用基板を簡単に、かつ、低コストで製造することができる。

さらに、前記基板本体と前記補助板との間に、延性を有する金属からなる緩衝層を設けている。
基板本体及び補助板はそれぞれセラミックスの板材で構成されており、これらの板材を成形する際の変形等によって板材表面の平坦度を確保することが困難である。このようなセラミックスの板材同士の間に延性を有する金属からなる緩衝層を設けることで、平坦度の悪いセラミックスの板材同士（基板本体及び補助板）を確実に接合することが可能となる。また、この緩衝層を介して熱を面方向に拡散させることもできる。

さらに、前記補助板をＡｌＮで構成し、前記基板本体をＳｉ _３ Ｎ _４ で構成しているので、熱伝導の良いＡｌＮによって構成された前記補助板によって熱を面方向に放散させるとともに、抗折強度の高いＳｉ_３Ｎ_４によって構成された前記基板本体によって熱応力による亀裂の発生を抑制して絶縁性を確保することが可能となる。

本発明のパワーモジュールは、前述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回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、絶縁性が確保されるとともに放熱が促進されることになり、その信頼性を向上させることができる。
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、請求項１に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、Ｓｉ _３ Ｎ _４ からなる前記基板本体と、ＡｌＮからなる前記補助板との間に、ろう材と、延性を有する金属からなる前記緩衝層と、ろう材と、を積層して配置し、かつ、前記補助板の表面にろう材を介して回路層となる金属板を積層し、これらを積層方向に加圧した状態でろう付けすることを特徴としている。

本発明によれば、製造時の熱履歴や使用環境下での熱サイクルによって万が一亀裂が発生してもセラミックス基板の絶縁性を確保できるとともに、熱伝導性がよく熱を面方向に拡散することが可能なパワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

以下に、本発明の第１の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態である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。
このパワーモジュール１は、本実施形態である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の回路層１５の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、パワーモジュール用基板１０の金属層１７の表面にろう付けされたヒートシンク４と、を備えている。はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１５とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

本実施形態であるパワーモジュール用基板１０は、基板本体１１と、この基板本体１１の一面側（図１において上側）に配設された回路層１５と、回路層１５と基板本体１１の間に配設された補助板１２と、基板本体１１の他面側（図１において下側）に配設された金属層１７と、を備えている。

基板本体１１は、絶縁性のセラミックスで構成されており、本実施形態では、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。基板本体１１の厚さは、０．１５〜０．５ｍｍの範囲内に設定されている。なお、この基板本体１１（Ｓｉ_３Ｎ_４）の抗折強度は、約１０００ＭＰａ、熱伝導度は、３０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数は、約２．３×１０^−６／Ｋとされている。

この基板本体１１に積層されて接合される補助板１２は、基板本体１１とは異なるセラミックスで構成されており、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。補助板１２の厚さは、０．３〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。なお、この補助板１２（ＡｌＮ）の抗折強度は、約５５０ＭＰａ、熱伝導度は、１７０〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋ、熱膨張係数は、約４．３×１０^−６／Ｋとされている。つまり、基板本体１１を構成するセラミックス（Ｓｉ_３Ｎ_４）と補助板１２を構成するセラミックス（ＡｌＮ）とは、互いに異なる抗折強度及び熱伝導度を有しているのである。

これら基板本体１１と補助板１２とは、ろう材によって接合されており、本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。また、これら基板本体１１と補助板１２との間には、延性を有する金属からなる緩衝層１３が設けられている。本実施形態では、緩衝層１３は純Ａｌ又はＡｌで構成されている。

補助板１２の表面には、金属板がろう付けされることで回路層１５が形成されている。本実施形態においては、回路層１５は、純Ａｌ若しくはＡｌ合金で構成されており、その厚さは０．１５〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。

また、基板本体１１の他面側には、金属板がろう付けされることで金属層１７が形成されている。本実施形態においては、金属層１７は、純Ａｌ若しくはＡｌ合金で構成されており、その厚さは０．１５〜１０ｍｍの範囲内に設定されている。
また、金属層１７の表面に接合されるヒートシンク４は、Ａｌ又はＡｌ合金で構成されており、冷却媒体を流通するための流路が設けられている。

このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。図２に示すように、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる基板本体１１とＡｌＮからなる補助板１２との間に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２１と、緩衝層１３となるＡｌ板２３と、ろう材箔２２とを積層して配置する。また、補助板１２の表面に厚さが２〜７０μｍのＡｌ系のろう材箔２４を介して回路層１５を形成するＡｌ板２５を積層する。さらに、基板本体１１の他面に厚さが２〜７０μｍのＡｌ系のろう材箔２６を介して金属層１７を形成するＡｌ板２７を積層する。
このようにして積層体２０を形成し、この積層体２０をその積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入してろう付けを行うことで、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。

このような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、基板本体１１が抗折強度の高いＳｉ_３Ｎ_４によって構成され、補助板１２が熱伝導の良いＡｌＮによって構成されているので、製造時の熱履歴や使用時の熱サイクルによって熱応力が作用してＡｌＮで構成された補助板１２に亀裂が発生したとしても、Ｓｉ_３Ｎ_４で構成された基板本体１１には亀裂が生じにくく、パワーモジュール用基板１０全体として絶縁性を確保することができる。

本実施形態では、基板本体１１が熱伝導度が３０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的低いＳｉ_３Ｎ_４で構成されているが、回路層１５と基板本体１１との間に熱伝導度が１７０〜２３０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高いＡｌＮで構成された補助板１２が配設されているので、この補助板１２によって半導体チップ３で発生した熱を面方向に拡散させることができる。

また、基板本体１１と補助板１２との間に延性を有する金属（Ａｌ）からなる緩衝層１３が設けられているので、平坦度の悪いセラミックスの板材同士（基板本体１１及び補助板１２）を確実に接合することが可能となる。また、この緩衝層１３を介して熱を面方向に拡散させることができ、放熱をさらに促進することができる。

また、本実施形態では、基板本体１１、緩衝層１３となるＡｌ板２３、補助板１２、回路層１５となるＡｌ板２５、金属層１７となるＡｌ板２７が、すべて積層された状態でろう付けされているので、このパワーモジュール用基板１０を簡単に、かつ、低コストで製造することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図３に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板３０においては、補助板３２の形状が第１の実施形態と異なっている。詳述すると、基板本体３１の一面側のうちパターン状に形成された回路層３５に対応する部分にのみ補助板３２が設けられているのである。

なお、本実施形態においても、基板本体３１がＳｉ_３Ｎ_４、補助板３２がＡｌＮで構成されており、基板本体３１と補助板３２とが、互いに異なる抗折強度及び熱伝導度のセラミックスで構成されている。

このような構成とされた第２の実施形態であるパワーモジュール用基板３０においては、抗折強度が比較的低いＡｌＮで構成された補助板３２の面積が小さくされているので、この補助板３２に作用する熱応力を抑えることができ、亀裂の発生を抑制することができる。万が一、補助板３２に亀裂が発生しても、抗折強度が比較的高いＳｉ_３Ｎ_４からなる基板本体３１によって絶縁性を確保することができる。また、半導体チップから発生する熱を補助板３２によって効率良く放散することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図４に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す。
この第３の実施形態であるパワーモジュール用基板４０においては、基板本体４１と回路層４５との間に補助板４２が配設されるとともに、基板本体４１と金属層４７との間にも補助板４２が配設されている。つまり、基板本体４１の両面に補助板４２、４２が配設されているのである。

なお、本実施形態においても、基板本体４１がＳｉ_３Ｎ_４、補助板４２がＡｌＮで構成されており、基板本体４１と補助板４２とが、互いに異なる抗折強度及び熱伝導度のセラミックスで構成されている。

このような構成とされた第３の実施形態であるパワーモジュール用基板４０においては、基板本体４１の両面に補助板４２、４２が配設されているので、基板本体４１及び補助板４２、４２が熱応力によって反るように変形することが抑制される。また、ヒートシンクが接合される金属層４７と基板本体４１との間にも補助板４２が配設されているので放熱をさらに促進することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１〜第３の実施形態においては、基板本体をＳｉ_３Ｎ_４で構成し、補助板をＡｌＮで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、基板本体をＡｌＮで構成し、補助板をＳｉ_３Ｎ_４で構成してもよい。

さらに、基板本体及び補助板は、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４以外のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ等の他のセラミックスで構成されていてもよい。例えば、ＺｒＯ_２を含有する強化アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合、抗折強度は７５０ＭＰａ，熱伝導度は２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。また、ＳｉＣの場合、抗折強度は７５０ＭＰａ，熱伝導度は２０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。これらのセラミックスの抗折強度と熱伝導度を考慮して、基板本体及び補助板の材質を選択することが好ましい。

また、回路層と基板本体との間にひとつの補助板を配設したもので説明したが、これに限定されることはなく、２つ以上の補助板を配設してもよい。
また、金属層にヒートシンクを接合したものとして説明したが、ヒートシンクや金属層を有していなくてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板のろう付け工程を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の説明図である。 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の説明図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、３０、４０ パワーモジュール用基板
１１、３１、４１ 基板本体
１２、３２、４２ 補助板
１３、３３、４３ 緩衝層
１５、３５、４５ 回路層
１７、３７、４７ 金属層

Claims (3)

1. セラミックスからなる基板本体と、この基板本体の一面側に積層されて回路層を形成する金属板と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
   少なくとも前記基板本体と前記金属板との間には、前記基板本体とは異なるセラミックスからなる補助板が配設されており、
   前記基板本体がＳｉ _３ Ｎ _４ で構成されるとともに、前記補助板がＡｌＮで構成され、
   前記基板本体と前記補助板との間には、延性を有する金属からなる緩衝層が設けられており、
   前記基板本体と前記緩衝層がろう材によって接合されているとともに、前記緩衝層と前記補助板がろう材によって接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 請求項１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回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
3. 請求項１に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   Ｓｉ _３ Ｎ _４ からなる前記基板本体と、ＡｌＮからなる前記補助板との間に、ろう材と、延性を有する金属からなる前記緩衝層と、ろう材と、を積層して配置し、かつ、前記補助板の表面にろう材を介して回路層となる金属板を積層し、これらを積層方向に加圧した状態でろう付けすることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。

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