JP6760158B2 - 金属−セラミックス接合基板及びその製造方法 - Google Patents

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パワーモジュール用基板等に用いることが可能な金属−セラミックス接合基板及びその製造方法に関する。

パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１に記載されるように、セラミックス基板に銅板または銅合金板が接合された金属−セラミックス接合基板を用いたものが知られている。この金属−セラミックス接合基板の一方の金属板が金属回路板であり、その表面には半導体素子等の電子部品がはんだ付けされ、また、他方の金属板が放熱用金属板であり、その表面にヒートシンクが接合される。
この種の金属回路板及び放熱用金属板は、一般にプレス加工による打抜き加工により作製される。この場合、金属回路板は、セラミックス基板に接合した後、所望の回路パターンにエッチングされるが、放熱用金属板は、プレス加工のままセラミックス基板に接合される。

特開２０１６‐５１７７８号公報

しかしながら、金属板をプレス加工のままセラミックス基板に接合する場合、金属板の鋭利なエッジ（側縁）がセラミックス基板との接合面に配置されるため、環境温度の変化により反りが生じた場合等に、曲げ応力が金属板のエッジ付近に集中し、セラミックス基板にクラック等が生じるおそれがある。これに対して、金属板をセラミックス基板に接合した後に、エッチングして所望のパターンに形成する場合は、金属板の側面はエッチングによりセラミックス基板との接合面付近がだれた状態になり、応力集中を緩和できる。
特許文献１記載の基板の場合、金属回路板はエッチングされるため、応力集中は緩和されるが、放熱用金属板はプレス加工のまま接合されるため、応力集中によるクラック発生のおそれが生じ、絶縁基板としての信頼性を損なうという問題がある。特に、金属板が銅板やアルミニウム合金である場合、純アルミニウム板よりも剛性が高いので、応力集中が大きくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プレス加工により形成した金属板とセラミックス基板とを接合した金属−セラミックス接合基板において、金属板の側縁による曲げ応力の集中を緩和し、セラミックス基板のクラック発生を防止して、絶縁基板としての信頼性を向上することを目的とする。

本発明の金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板に接合された金属板の側面のうちの少なくとも一部に、複数の凹部が前記セラミックス基板と金属板との接合面に沿って間隔をあけて設けられており、前記凹部は、前記金属板の側面における厚さ方向の中央位置よりも前記セラミックス基板と前記金属板との接合面寄りに、前記金属板の側面から内側に向かうにしたがって前記接合面からの距離が漸次大きくなるテーパ面を有している。

金属板の側面がプレス加工したままの鋭利な状態であると、セラミックス基板において金属板が接合されていない部分と金属板を接合した部分とで急激に剛性が変化する。本発明の金属−セラミックス接合基板においては、金属板の側面の凹部に形成したテーパ面により、金属板のテーパ面と接合面との間の厚さが、金属板の側面から内側に向かうにしたがって徐々に大きくなるため、その部分の剛性も、金属板の側面から内側に向かうにしたがって徐々に大きくなる（逆に言えば、金属板の内側から側面に向かうにしたがって剛性が徐々に小さくなる）。このため、セラミックス基板において金属板が接合されていない部分と金属板を接合した部分との間の剛性の変化が小さく、金属板の内側に向かうにしたがって徐々に大きくなるので、反り等の際の応力集中が緩和される。

一方、金属板とセラミックス基板とを強固に接合するには、接合工程で厚さ方向にかける垂直荷重が金属板の側縁まで含めて接合面の全体に作用する必要がある。この場合、凹部が、接合面の長さ方向の全体にわたる溝状に形成されていると、垂直荷重も側縁では一葉に低減してしまうが、複数の凹部が間隔をあけて形成されているので、凹部間では、垂直荷重が金属板の板厚方向に接合面まで到達する。したがって、接合時の垂直荷重も金属板の側縁まで含めて全面に作用させることができ、接合不良の発生を低減することができる。

本発明のパワーモジュール用基板において、前記金属板の側面における前記テーパ面の端縁から前記接合面までの距離は、前記金属板の厚さをＴｍｍとしたときに、（Ｔ×１／３）ｍｍ以下であるとよい。

金属板の側面におけるテーパ面の端縁の位置が接合面から離れすぎていると、応力緩和効果が低減する。金属板の厚さＴｍｍに対して、接合面から（Ｔ×１／３）ｍｍ以下の距離であると、応力緩和効果を有効に発揮することができる。

本発明の金属−セラミックス接合基板において、前記金属板が平面視で矩形状である場合、前記凹部は、前記金属板の長辺側の側面に形成されているとよい。
金属板が平面視矩形状である場合、長辺側を曲げる場合に比べて、短辺側を曲げる場合の方が剛性が高くなる。このため、金属板の長辺側の側縁で剛性の変化が急激になり、応力集中が大きくなる。本発明では、金属板の長辺側の側面に凹部を形成していることにより、長辺側の側縁での剛性の変化を小さくして応力集中を緩和することができる。

本発明の金属−セラミックス接合基板において、前記金属板は銅又は銅合金、あるいはアルミニウム合金からなる場合に有効である。
この種の金属板には銅またはアルミニウムが用いられるが、純アルミニウム板の場合は比較的変形し易いため、応力集中も小さい。このため、銅又は銅合金、あるいはアルミニウム合金のように比較的剛性の高い材料を用いる場合に本発明の構造が有効である。

本発明の金属−セラミックス接合基板の製造方法は、前記金属板の側面に前記凹部を形成した後、該金属板をセラミックス基板に接合する。

金属−セラミックス接合基板の反りは、使用時における温度変化によるものだけでなく、接合時においても生じる可能性がある。したがって、接合前に凹部を形成しておくことにより、接合時の反り発生に伴う応力集中を緩和し、クラック等の発生を防止することができる。

本発明によれば、金属板の側面に形成した凹部により、金属板の側面付近での応力集中を緩和できるので、反り等によるセラミックス基板のクラックの発生を防止し、絶縁基板としての信頼性を向上させることができる。

本発明の金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール用基板の斜視図である。 図１のパワーモジュール用基板の縦断面図である。 図２のＳで囲った部分の拡大図である。 図３に対する正面図である。 金属板を製造する途中の状態を示す断面図である。 図１のパワーモジュール用基板のセラミックス基板を平板に区画した状態を示す斜視図である。 他の実施形態における金属板の図３同様の断面拡大図である。 図７に対する正面図である。

以下、本発明に係る金属−セラミックス接合基板の実施形態について説明する。
＜金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール用基板の構造＞
図１及び図２は、本発明に係る実施形態の金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール用基板１０を示している。この図１に示すパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面に金属板１２ａ，１２ｂが接合されることにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１３が形成され、他方の面に放熱層１４が形成されている。

セラミックス基板１１は、回路層１３と放熱層１４との間の電気的接続を防止するものであって、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミックス材料により平面視が矩形状に形成され、例えば０．２ｍｍ〜２ｍｍの厚みとされている。

回路層１３及び放熱層１４となる金属板１２ａ，１２ｂは、銅又は銅合金、あるいはアルミニウム合金により形成された板材を後述するようにプレス加工して作製されたものである。これら金属板１２ａ，１２ｂはセラミックス基板１１にろう付けにより接合される。例えば、金属板１２ａ，１２ｂが銅又は銅合金からなる場合は、Ａｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の活性金属を含有する各種活性金属ろう材により、また、金属板１２ａ，１２ｂがアルミニウム合金からなる場合はＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材により接合される。
各金属板１２ａ，１２ｂ（以下、これら金属板に共通する要素の説明においては金属板１２とする）は平面視が矩形状に形成され、金属板１２の側面２２に、複数の凹部２１が長さ方向に適宜の間隔をあけて形成されている。

これら凹部２１は、図３及び図４に拡大して示したように、例えば三角錐状に形成されており、金属板１２の側面２２に対する正面視で、開口端が三角形状で、金属板１２の厚さ方向に沿う断面も三角形状に形成されている。この場合、金属板１２の側面２２における三角形状の開口端は、その底辺がセラミックス基板１１との接合面２３と並行に配置され、金属板１２の内側に向かって三つのテーパ面により形成される三角錐形状とされている。そして、その開口端における底辺２４ａを有するテーパ面２４が金属板１２の厚さ方向に沿う断面では、側面２２から内側に向かうにしたがって漸次接合面２３から離間する方向に傾斜している。また、金属板１２の側面２２における三角形の開口端の底辺２４ａ（テーパ面２４の端縁）は、セラミックス基板１１との接合面２３からの距離Ｈが、金属板１２の厚さをＴｍｍとしたときに、（Ｔ×１／３）ｍｍ以下に設定される。その開口端の底辺２４ａがセラミックス基板１１との接合面２３と一致していても（つまりＨ＝０ｍｍでも）よい。

金属板１２の厚さＴは必ずしも限定されるものではないが、１ｍｍ以上５ｍｍ以下とされ、凹部２１の三角形の開口端の一辺の長さ、図示例の場合、開口端は正三角形状に形成されているため、接合面２３と平行な底辺２４ａの長さ（凹部２１の開口端における最大幅）Ｗが金属板１２の厚さＴｍｍに対して、（Ｔ×１／３）ｍｍ以上（Ｔ×１／２）ｍｍ以下とされる。また、金属板１２の接合面２３に沿う凹部２１の配列ピッチｐは、１．１×Ｗｍｍ以上２．０×Ｗｍｍ以下とするのが好適である。この配列ピッチｐが小さすぎると、凹部２１が形成されていない部分がなくなり、接合面２３と平行な連続した溝状に形成される場合と変わらなくなるため、後述する接合工程において、垂直荷重が金属板１２の側縁に好適に作用せず、接合不良を生じるおそれがある。凹部２１の間隔が大き過ぎると、応力緩和効果が乏しくなる。
また、開口端の三角形の底辺２４ａに連なるテーパ面２４の傾斜角度（金属板１２の面方向に対する角度）θは、２０°以上６０°以下に設定される。

＜パワーモジュール用基板１０の製造方法＞
このように構成したパワーモジュール用基板１０を製造する場合、まず、プレス加工にて金属板１２を作製し、その金属板１２を別途作製しておいてセラミックス基板１１（後述するようにセラミックス平板）に接合することにより、行われる。以下、その順に説明する。

［金属板作製工程］
銅又は銅合金、あるいはアルミニウム合金からなる金属平板３１を順次搬送しながらプレス加工により打抜いて金属板１２を作製する。この場合、図５に示すように、いわゆるプッシュバック法により、金属平板３１から半抜き状態で打抜いた金属板１２を再度打抜き穴３２内に押し戻して、金属板１２を打抜き穴３１内に保持した状態で搬送する。
この金属平板３１から半抜き状態とした金属板１２を再度金属平板３１に押し戻す前に、図５（ａ）で示すように金属板１２の側面２２にくさび状の金型３３を食い込ませて凹部２１を形成する。そして、図５（ｂ）に示すように、この凹部２１を形成した後の金属板１２を金属平板３１の打抜き穴３２内に押し戻す。
このようにして金属平板３１を順次搬送しながら金属板１２を形成した後、金属平板３１から金属板１２を抜き出す。

［接合工程］
図６に示すように、セラミックス基板１１を複数形成可能な大きさの平板３５にレーザー加工により各セラミックス基板１１を区画するようにブレークライン３６を形成しておき、そのセラミックス製平板３５のブレークライン３６により区画された各領域の上に、ろう材を介して金属板１２をそれぞれ積層し、これらを厚さ方向に加圧しながら加熱してろう付けする。セラミックス平板３５の両面に金属板１２を接合する場合、両金属板１２が同種金属である場合は、これらをろう材を介して順次積層し、その積層体を厚さ方向に加圧しながら加熱する。セラミックス平板３５の一方の面に銅又は銅合金からなる金属板１２、他方の面にアルミニウム合金からなる金属板１２を接合する場合は、先に銅又は銅合金からなる金属板１２を接合した後に、アルミニウム合金からなる金属板１２を接合する。銅又は銅合金からなる金属板１２の接合には、加圧力として０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ、温度が８２０℃〜８５０℃で接合され、アルミニウム合金からなる金属板１２の接合の場合は、加圧力として０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ、温度が６３０℃〜６５５℃で接合される。
接合後に、セラミックス平板３５をブレークライン３６から分割して個々のセラミックス基板１１とすることにより、セラミックス基板１１に金属板１２が接合されたパワーモジュール用基板１０が作製される。

この接合工程において、金属板１２とセラミックス平板（以下、便宜上、セラミックス基板とする）とは厚さ方向に加圧される。また、ろう付け時の加熱、冷却に伴う金属板１２とセラミックス基板１１との間に熱伸縮差により、反りが生じやすい。このため、セラミックス基板１１に厚さ方向の圧縮応力及び曲げ応力が生じる。凹部２１を有しない金属板１２の場合には、セラミックス基板１１との接合面２３の周縁に応力が集中するが、金属板１２の側面２２に凹部２１を形成したことにより、その凹部２１のテーパ面２４と接合面２３との間の厚さが金属板１２の内側から側面２２に向かうにしたがって徐々に小さくなっているので、金属板１２の剛性が側面２２に向かうにしたがって徐々に小さくなっており、したがって、セラミックス基板１１との接合面２３の周縁における応力集中を緩和することができる。
また、パワーモジュール用基板１０としては、その後、回路層１３に電子部品（図示略）が搭載され、放熱層１４にヒートシンク（図示略）が接合された状態で使用に供されるが、その使用環境温度の変化による熱サイクルが作用する。そのときも、熱伸縮差による反りが生じるおそれがあるが、金属板１２とセラミックス基板１１との接合面２３の周縁における応力緩和作用により、セラミックス基板１１のクラック等の発生を防止することができる。
したがって、このパワーモジュール用基板１０はセラミックス基板１１を長期に健全に維持することができ、絶縁基板としての信頼性を向上させることができる。

前述の実施形態では、金属板１２の側面２２の凹部２１を三角錐状に形成したが、三角錐状以外にも、四角錐状等の他の形状とすることが可能であり、図７及び図８に示すように半球状としてもよい。この金属板１２は、その側面２２に、半球状の凹部４１が接合面２３に沿って間隔をあけて複数形成されている。この場合、半球状の凹部４１の下半分の円弧面４２が、金属板１２の側面２２から内側に向かうにしたがって接合面２３からの距離が漸次大きくなるテーパ面とされる。そして、金属板１２の側面２２における円弧面４２の端縁（円弧状に形成される）４２ａで最も接合面２３寄りの位置と接合面２３との距離Ｈが、金属板２１の厚さＴｍｍに対して（Ｔ×１／３）ｍｍ以下とされ、凹部４１の開口端における接合面２３と平行な方向の最大幅（図に示す例の場合は開口端が円形になるので、その直径）Ｗは、（Ｔ×１／３）ｍｍ以上（Ｔ×１／２）ｍｍ以下とされる。さらに、金属板１２の厚さ方向の断面において、半球状の凹部４１の下半分の円弧面４２における中心角Ｃの半分の位置（線分Ａ−Ｂの半分の位置）での接線角度をテーパ面４２の傾斜角度θとすると、その傾斜角度θは２０°以上６０°以下に設定される。

その他、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の樹脂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。
例えば、上記実施形態では凹部をプレス加工により形成したが、エッチング処理によって形成してもよい。この場合、例えば、金属板の側面に凹部の開口端形状に合わせた孔を有するマスクを形成しておき、そのマスクの孔を介して金属板をエッチング処理する。また、凹部の形状としては、図の角錐状の凹部とすることは難しく、図の半球状の凹部に近い形状となる。

セラミックス基板を作製するために、厚さ０．３２ｍｍ、平面形状が１２０ｍｍ角の正方形状の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）製平板を用意し、平面形状が３５ｍｍ四方となる正方形状のセラミックス基板を３個×３個の計９個分割できるようにレーザーでブレークラインを形成した。
一方、金属板として厚さ３ｍｍで３０ｍｍ四方の正方形状の銅板を用意し、その側面に、プレス加工により、図に示すような１辺が１ｍｍの正三角形の三角錐状の凹部を形成した。この場合、凹部の開口端の底辺（テーパ面の端縁）とセラミックス基板との接合面との距離Ｈは１００μｍとし、テーパ面の傾斜角度θは銅板の表面に対して６０°とし、銅板の側面に沿って１００μｍの間隔をあけて複数形成した。

そして、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストをセラミックス平板の各区画の中心に３０ｍｍ角の正方形状に印刷しておき、各区画のろう材ペースト上に接着剤を用いて銅板を仮止めし、カーボン板とグラファイト板とを積層してなるクッションシートを当て板として用いて銅板及びセラミックス平板の積層体を加圧、加熱してろう付け接合し、金属−セラミックス接合基板を作製した。この接合時の加圧は０．１ＭＰａ、温度は８３０℃とした。
比較例として、凹部を有しない以外は同じ組成、形状、寸法の金属板とセラミックス基板とにより、同じ条件で接合してなる金属−セラミックス接合基板を作製した。

このようにして得られた金属−セラミックス接合基板について、接合信頼性評価として、−４０℃の液槽と１５０℃の液槽とにそれぞれ１０分ずつ交互に浸漬する操作を繰り返す液相冷熱試験を実施し、接合部に剥離が認められるまでの繰り返し回数を計測した。接合部の剥離は、接合面を超音波探傷像を二値化処理して、剥離部分の面積を割り出し、金属板の接合すべき面積で割った接合率が９０％以下となった場合に剥離したと評価した。
その結果、比較例については、繰り返し数が６０００回で剥離が認められるのに対して、発明品は、８０００回でも剥離は認められなかった。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２，１２ａ，１２ｂ 金属板
１３ 回路層
１４ 放熱層
２１ 凹部
２２ 側面
２３ 接合面
２４ テーパ面
２４ａ 底辺（端縁）
３１ 金属平板
３２ 打抜き穴
３３ 金型
３５ セラミックス製平板
３６ ブレークライン
４１ 凹部
４２ 円弧面（テーパ面）
４２ａ 端縁

Claims (5)

1. セラミックス基板に接合された金属板の側面のうちの少なくとも一部に、複数の凹部が前記セラミックス基板と金属板との接合面に沿って間隔をあけて設けられており、前記凹部は、前記金属板の側面における厚さ方向の中央位置よりも前記セラミックス基板と前記金属板との接合面寄りに、前記金属板の側面から内側に向かうにしたがって前記接合面からの距離が漸次大きくなるテーパ面を有していることを特徴とする金属−セラミックス接合基板。
2. 前記金属板の側面における前記テーパ面の端縁から前記接合面までの距離は、前記金属板の厚さをＴｍｍとしたときに、（Ｔ×１／３）ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス接合基板。
3. 前記金属板が平面視で矩形状であり、前記凹部は、前記金属板の長辺側の側面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の金属−セラミックス接合基板。
4. 前記金属板は銅又は銅合金、あるいはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の金属−セラミックス接合基板。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法であって、前記金属板の側面に前記凹部を形成した後、該金属板をセラミックス基板に接合することを特徴とする金属−セラミックス接合基板の製造方法。

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