JP6237058B2

JP6237058B2 - 銅板付きパワーモジュール用基板、及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP6237058B2
Application number: JP2013202680A
Authority: JP
Inventors: 長友　義幸; 義幸長友; 伸幸寺▲崎▼; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP2015070098A

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銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付き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。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、セラミックス基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。なお、上述のような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他方の面側に金属層を形成せず、直接セラミックス基板の他方の面にヒートシンクが接合されることもある。

回路層を構成する第一の金属板としては、例えば銅板が用いられており、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。

また、特許文献２には、回路層を構成する第一の金属板を銅板とし、金属層を構成する第二の金属板をアルミニウム板としたパワーモジュール用基板が提案されている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板と同様に、回路層が銅板で構成されているので、電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。また、金属層がアルミニウム板で構成されているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層において十分に緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することが可能となる。

特許第３２１１８５６号公報特開２００３−１９７８２６号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２に記載された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として銅板が接合されており、銅は比較的変形抵抗が高いことから、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅板との間に生じる熱応力によってセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。

また、特許文献２に記載された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一方の面に銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板を接合することになる。ここで、銅板とセラミックス基板を接合する際の接合温度は、アルミニウム板とセラミックス基板を接合する際の接合温度よりも高温であることから、まず、銅板とセラミックス基板を接合した後、アルミニウム板とセラミックス基板を接合することになる。

ここで、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合した場合、銅板とセラミックス基板との熱膨張係数が大きく異なることから、接合後に大きく反りが生じることになる。この状態で、セラミックス基板の他方の面側にアルミニウム板を接合しようとしても、アルミニウム板とセラミックス基板とが密着せず、接合を良好に行うことができないおそれがあった。

このようにパワーモジュール用基板に反りが生じた場合には、回路層上に半導体素子を接合する際、あるいは、金属層側にヒートシンクを接合する際に、接合界面に隙間が生じて、接合を良好に行うことができないおそれがあった。
また、セラミックス基板の他方の面側に直接ヒートシンクを接合する場合においても、同様に、ヒートシンクとセラミックス基板の接合を良好に行うことができないおそれがあった。

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、セラミックス基板の一方の面側に銅板を接合する際に、反りの発生を抑制するとともに、ヒートサイクルが負荷された際にセラミックス基板における割れの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付き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、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に配設された銅板と、を有し、前記銅板は、半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記アルミニウム層と、前記銅板の前記ダイパッドとが、固相拡散接合され、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとの界面には拡散層が形成されており、前記拡散層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層しており、前記アルミニウム層側から前記ダイパッド側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造とされており、前記ダイパッドの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることを特徴としている。

本発明の銅板付き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一方の面にアルミニウム層が配設され、このアルミニウム層の一方側に銅板のダイパッドが固相拡散接合された構成とされており、銅板のダイパッドがリード部を介してガイド枠と連結していることから、銅板の剛性を確保することにより、反りの発生を抑制することができる。また、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が配設されていることにより、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム層が変形することによって緩和し、反りの発生をさらに低減することができる。このように反りの発生が抑制されることにより、ダイパッドに半導体素子を良好に接合したり、セラミックス基板の他方の面に、金属層やヒートシンクを良好に接合したりすることができる。
また、上述の銅板付き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一方の面にアルミニウム層が配設されているので、熱サイクルが負荷された場合に、銅板付きパワーモジュール用基板に発生する熱歪みをアルミニウム層によって緩和してセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板においては、アルミニウム層の一方の面に、電子部品が搭載されるダイパッドを有する銅板を備えているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
さらに、アルミニウム層の一方の面に、比較的変形抵抗の大きい銅板が接合されていることにより、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する高い信頼性も得られる。
また、アルミニウム層とダイパッドとが、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層と銅板との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
なお、本発明において、アルミニウム層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。また、本発明において、銅板は、銅又は銅合金からなる。

前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記アルミニウム層が固相拡散接合されていることが好ましい。
この場合、銅板が帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有していることから、ダイパッド上に半導体素子を搭載し、リード部をガイド枠から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能となる。

また、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が配設されていることが好ましい。
この場合、銅板付きパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合する際に、セラミックス基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層によって緩和し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板、及びアルミニウム板を準備する準備工程と、前記セラミックス基板の一方の面に、前記アルミニウム板を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、前記アルミニウム層を形成した後に、前記アルミニウム層の一方側に、前記銅板の前記ダイパッドを固相拡散接合により接合する銅板接合工程と、を備えており、前記銅板接合工程において、前記アルミニウム層の一方側に前記銅板の前記ダイパッドを積層し、前記アルミニウム層と前記ダイパッドに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で５分以上２４０分以下保持することにより、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとを固相拡散接合し、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとの界面に、前記アルミニウム層側から前記ダイパッド側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造の拡散層を形成するとともに、前記ダイパッドの平均結晶粒径を５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とし、前記アルミニウム層の平均結晶粒径を５００μｍ以上とすることを特徴としている。

本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層を形成した後に、さらにこのアルミニウム層の一方側にダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有する銅板を接合することから、銅板の剛性を利用して、銅板付きパワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
また、銅板接合工程において、アルミニウム層と銅板のダイパッドとを固相拡散接合により接合する構成とされているので、アルミニウム層と銅板のダイパッドとが固相拡散によって接合された回路層を備えた銅板付きパワーモジュール用基板を得ることができる。

また、前記銅板接合工程において、前記アルミニウム層の一方側に前記銅板の前記ダイパッドを積層し、前記アルミニウム層と前記ダイパッドに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとを固相拡散接合しているので、アルミニウム層と銅板のダイパッドとを確実に固相拡散によって接合できる。また、アルミニウム層とダイパッドとの界面に、隙間が生じることを抑制することが可能である。

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面側に銅板を接合する際に、反りの発生を抑制するとともに、ヒートサイクルが負荷された際にセラミックス基板における割れの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である銅板付き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。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板に用いられる銅板の概略説明図である。図２におけるアルミニウム層とダイパッドとの接合界面の拡大説明図である。図４におけるη相とζ２相との接合界面の拡大説明図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。本発明の他の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。

以下に、本発明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銅板付きパワーモジュール用基板１０、及びこの銅板付きパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。

このパワーモジュール１は、回路層１２が配設された銅板付きパワーモジュール用基板１０と、この銅板付きパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、銅板付きパワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４１と、を備えている。また、銅板付きパワーモジュール用基板１０及び半導体素子３は、外装樹脂６によって封止されており、後述する銅板１２Ｂのリード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように構成されている。
ここで、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１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。

銅板付きパワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、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及び図２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及び図２において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
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る。本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、図１及び図２に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設された配設されたアルミニウム層１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に配設された銅板１２Ｂと、を有している。

アルミニウム層１２Ａは、図７に示すように、アルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。アルミニウム層１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされており、本実施形態においては０．６ｍｍとされている。

銅板１２Ｂは、半導体素子３が接合されるダイパッド３２と、このダイパッド３２から延出するリード部３３と、リード部３３を連結するガイド枠３１と、を備えている（図３参照）。そして、ダイパッド３２が、アルミニウム層１２Ａの一方側（図２において上側）に接合されて、回路層１２を構成することになる。また、この銅板１２Ｂのリード部３３が、外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置されることになる。

銅板１２Ｂは、図７に示すように、アルミニウム層１２Ａの一方側（図１、２において上側）にダイパッド３２が固相拡散接合されることにより接合されている。銅板１２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされており、本実施形態においては、２．０ｍｍとされている。本実施形態においては、銅板として無酸素銅を用いた。
なお、本実施形態においては、銅板１２Ｂとして、図３に示すように、複数のダイパッド３２がガイド枠３１の延在方向に連結された帯材を用いている。

そして、これらのアルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとの界面には、図４に示すように、拡散層１２Ｃが形成されている。
拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子と、銅板１２Ｂの銅原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層１２Ｃにおいては、アルミニウム層１２Ａから銅板１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

拡散層１２Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層１２Ｃの厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態において拡散層１２Ｃは、図４に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム層１２Ａ側から銅板１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７が積層され、さらにζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、及びγ２相１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層された構造とされている。

また、上述のζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、又はγ２相１８ｃの内部には、図５に示すように、酸化物１９が、拡散層１２Ｃと銅板１２Ｂとの接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。
さらに、本実施形態では、銅板１２Ｂのうち固相拡散接合したダイパッド３２の部分の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

金属層１３は、図７に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３となるアルミニウム板２３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ^２以下とされている。

ヒートシンク４１は、前述の銅板付きパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。
本実施形態においては、ヒートシンク４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、具体的にはＡ６０６３合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク４１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、５ｍｍに設定されている。なお、ヒートシンク４１と金属層１３とは、例えばはんだ材やＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されている。

以下に、前述の構成の銅板付きパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図６、図７を参照して説明する。
まず、回路層１２を構成するアルミニウム板２２Ａ、銅板１２Ｂ、及び金属層１３を構成するアルミニウム板２３を準備する（アルミニウム板及び銅板準備工程Ｓ０１）。

次に、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２２Ａを積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ０２）。なお、本実施形態においては、Ａｌ−８．５重量％Ｓｉろう材からなるＡｌ−Ｓｉ系ろう材２４を用いた。

次いで、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板２２Ａを積層するとともに、他方の面にアルミニウム板２３を積層した状態で、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３を接合し、アルミニウム層１２Ａ及び金属層１３を形成する（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ０３）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。

次いで、アルミニウム層１２Ａの一方側（図７において上側）に、銅板１２Ｂのダイパッド３２が所定の位置になるように、銅板１２Ｂを積層する（銅板積層工程Ｓ０４）。
そして、銅板１２Ｂ側及び金属層１３側から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに負荷される圧力が、２９．４×１０^４Ｐａ（３ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、アルミニウム層１２Ａに銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）を接合する（銅板接合工程Ｓ０５）。

本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）との接合されるそれぞれの面は、予め平滑な面にした状態で、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを接合する際の加熱温度の好ましい温度は、アルミニウムと銅との共晶温度より５℃低い温度から、共晶温度未満の温度範囲内とされている。

こうして、アルミニウム層１２Ａと、アルミニウム層１２Ａの一方側に接合された銅板１２Ｂと、を有する回路層１２が形成される。
上述のようにして、本実施形態であるセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成された銅板付きパワーモジュール用基板１０が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設され、このアルミニウム層１２Ａの一方側に銅板１２Ｂのダイパッド３２が固相拡散接合された構成とされており、ダイパッド３２がリード部３３を介してガイド枠３１と連結していることから、銅板１２Ｂの剛性を確保することにより、反りの発生を抑制することができる。

また、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設されていることにより、セラミックス基板１１と銅板１２Ｂとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム層１２Ａが変形することによって緩和し、反りの発生をさらに低減することができる。

以上のように反りの発生が抑制されることにより、ダイパッド３２に半導体素子３を良好に接合したり、セラミックス基板１１の他方の面側に、ヒートシンク４１を良好に接合したりすることができる。

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設されているので、熱サイクルが負荷された場合に、銅板付きパワーモジュール用基板１０に発生する熱歪みをアルミニウム層１２Ａによって緩和し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制でき、接合に対する高い信頼性が得られる。

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム層１２Ａの一方の面に、半導体素子３（電子部品）が搭載されるダイパッド３２を有する銅板１２Ｂを備えているので、半導体素子３から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。

さらに、アルミニウム層１２Ａの一方側に、比較的変形抵抗の大きい銅板１２Ｂが接合されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１２の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する高い信頼性も得られる。
また、アルミニウム層１２Ａとダイパッド３２とが、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層１２Ａとダイパッド（３２）との間に剥離が生じることが抑制され、回路層１２の熱伝導性及び導電性を維持することができる。

また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウムからなる金属層１３が形成されているので、金属層１３側にヒートシンク４１を接合する際やヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウムからなる金属層１３によって緩和し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。

また、本実施形態においては、銅板１２Ｂのダイパッド３２がセラミックス基板１１に接合されて回路層１２が形成されるとともに、リード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置して構成されていることから、このリード部３３を外部端子として用いることができ、パワーモジュール１等の半導体装置を簡単に構成することが可能となる。

また、本実施形態においては、銅板１２Ｂが帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッド３２を有していることから、ダイパッド３２上に半導体素子３を搭載し、リード部３３をガイド枠３１から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能である。

また、本実施形態では、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとの間に、ＣｕとＡｌの拡散層からなる拡散層１２Ｃが形成されているので、アルミニウム層１２Ａ中のＡｌが銅板１２Ｂ側へ、銅板１２Ｂ中のＣｕがアルミニウム層１２Ａ側へと十分に相互拡散し、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとが確実に固相拡散接合されており、接合強度を確保することができる。

また、本実施形態では、拡散層１２Ｃは、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、銅板１２Ｂ中のＣｕとアルミニウム層１２Ａ中のＡｌとが相互拡散することにより、銅板１２Ｂ側からアルミニウム層１２Ａ側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａ側から銅板１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７が積層され、さらにζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、及びγ２相１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層された構造とされているので、拡散層１２Ｃ内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。

また、本実施形態では、銅板１２Ｂと拡散層１２Ｃとの接合界面に沿って、酸化物１９がζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、又はγ２相１８ｃの内部に分散しているので、アルミニウム層１２Ａに形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅板１２Ｂと拡散層１２Ｃとが確実に接合されている。

さらに、本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、ダイパッド３２の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、ヒートサイクル負荷において、銅板付きパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

さらに、本実施形態においては、拡散層１２Ｃの平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）とを強固に接合できるとともに、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。

また、銅板１２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上とされているので、半導体素子３からの熱を銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）で拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができ、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板１２Ｂの厚さは６．０ｍｍ以下とされているので、回路層１２の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。

また、アルミニウム層１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上とされているので、アルミニウム層１２Ａの一方の面に銅板１２Ｂを接合する際やヒートサイクルが負荷される際に、セラミックス基板１１と銅板１２Ｂとの間に発生する熱応力を確実に低減することができる。また、アルミニウム層１２Ａの厚さは、１．０ｍｍ以下とされているので、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。

また、金属層１３の厚さは、０．１ｍｍ以上とされているので、ヒートサイクルが負荷される際に、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との間に発生する熱応力を確実に低減することができる。また、金属層１３の厚さは、１．０ｍｍ以下とされているので、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。

また、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際にアルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに対して負荷される荷重が、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とされているので、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとが十分に密着した状態で、アルミニウム層１２Ａ中に銅板１２Ｂの銅原子を固相拡散させ、銅板１２Ｂ中にアルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子を固相拡散させて固相拡散接合し、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板１２Ｂを確実に接合することができる。また、固相拡散接合する際にアルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに対して負荷される荷重が、３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とされているので、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制することができる。

アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際の温度が、４００℃以上とされているので、アルミニウム原子と銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際の温度が、５４８℃未満とされているので、接合界面においてアルミニウムと銅との液相が生じることを防止し、良好な接合界面を得ることができる。

また、固相拡散接合時における好ましい熱処理温度は、アルミニウムと銅との共晶温度より５℃低い温度から、共晶温度未満の温度範囲内とされている。この温度範囲を選択したときには、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が多量に生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。

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。

また、上記の実施形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に形成されるアルミニウム層及び金属層を、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金等であっても良い。

また、上記の実施形態では、銅板付きパワーモジュール用基板が金属層を備える場合について説明したが、図８に示す銅板付きパワーモジュール用基板１１０のように、金属層を備えていなくても良い。この場合、例えば、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との接合は、グリースを介して接合されていても良い。ここで、グリースの厚さは、１ｍｍ以下とされていることが好ましい。

また、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、ろう材を用いてアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。

また、セラミックス基板として、ＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等の他のセラミックス基板であっても良い。
さらに、外装樹脂、ヒートシンク等の構造についても、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のものであってもよい。

また、上記の実施形態において拡散層は、アルミニウム層側から銅板側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造とされている場合について説明したが、これに限定されることはない。具体的には、アルミニウム層と銅板との接合界面において、アルミニウム層側から銅板側に向けて順にアルミニウムの比率が段階的に低くなるように、複数のＣｕ及びＡｌからなる金属間化合物が積層されていても良い。

１０銅板付きパワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１２Ａアルミニウム層
１２Ｂ銅板
１３金属層
２３アルミニウム板
３１ガイド枠
３２ダイパッド
３３リード部

Claims

セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に配設された銅板と、を有し、
前記銅板は、半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、
前記アルミニウム層と、前記銅板の前記ダイパッドとが、固相拡散接合され、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとの界面には拡散層が形成されており、
前記拡散層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層しており、前記アルミニウム層側から前記ダイパッド側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造とされており、
前記ダイパッドの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記アルミニウム層の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板。
前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記アルミニウム層が固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板、及びアルミニウム板を準備する準備工程と、
前記セラミックス基板の一方の面に、前記アルミニウム板を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
前記アルミニウム層を形成した後に、前記アルミニウム層の一方側に、前記銅板の前記ダイパッドを固相拡散接合により接合する銅板接合工程と、を備えており、
前記銅板接合工程において、前記アルミニウム層の一方側に前記銅板の前記ダイパッドを積層し、前記アルミニウム層と前記ダイパッドに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で５分以上２４０分以下保持することにより、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとを固相拡散接合し、
前記アルミニウム層と前記ダイパッドとの界面に、前記アルミニウム層側から前記ダイパッド側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造の拡散層を形成するとともに、前記ダイパッドの平均結晶粒径を５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とし、前記アルミニウム層の平均結晶粒径を５００μｍ以上とすることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法。