JP7008236B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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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及びその製造方法に関する。
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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等のセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の導電性に優れた金属からなる回路層と、を備えた構成のものが知られている。なお、この種のパワーモジュール用基板には、セラミックス基板の他方の面に熱伝導性に優れた金属からなる金属層を形成することや、金属層を介して放熱層（ヒートシンク）を接合することも行われる。
例えば、特許文献１には、セラミック基板（セラミックス基板）の表面に銅回路が形成され、又はその銅回路と共にセラミック基板の裏面に放熱銅板が形成された回路基板が開示されている。
このように構成されるパワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、パワー素子等の半導体素子がはんだ付け（実装）されることにより、パワーモジュールが製造される。また、半導体素子が実装されたパワーモジュールは、絶縁性確保やの配線保護等の観点から、ポッティング樹脂やモールディング樹脂で封止することも行われる。
ところで、パワーモジュールにおける回路層と半導体素子との接合界面や、回路層とセラミックス基板との接合界面等の検査は、超音波探査映像装置（ＳＡＴ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）を用いて、半導体素子やパワーモジュール用基板の各層等を介して行われることが知られている。
ところが、セラミックス基板に銅等の金属を接合して回路層を形成する場合、例えば、セラミックス基板に回路層となる銅（Ｃｕ）板を接合する場合、通常、Ａｇ-Ｃｕ-Ｔｉ系等の活性金属ろう材を用いて８００℃以上の温度で加熱することが必要となる。このような温度域で加熱した場合、銅の結晶粒が加熱前よりも粗大化する。このため、パワーモジュール用基板（回路層）を介して回路層と半導体素子との接合界面（はんだ接合部）を超音波探査映像装置により検査する際に、回路層での超音波の反射が大きくなり、検査精度を低下させることが問題となっている。
ところが、セラミックス基板に銅等の金属を接合して回路層を形成する場合、例えば、セラミックス基板に回路層となる銅（Ｃｕ）板を接合する場合、通常、Ａｇ-Ｃｕ-Ｔｉ系等の活性金属ろう材を用いて８００℃以上の温度で加熱することが必要となる。このような温度域で加熱した場合、銅の結晶粒が加熱前よりも粗大化する。このため、パワーモジュール用基板（回路層）を介して回路層と半導体素子との接合界面（はんだ接合部）を超音波探査映像装置により検査する際に、回路層での超音波の反射が大きくなり、検査精度を低下させることが問題となっている。
一方、この対策として、高熱を加えても結晶粒が粗大化しにくい材料を回路層に用いることが考えらえるが、この場合には回路層表面の表面粗度（表面粗さ）が小さくなるため、半導体素子を実装したパワーモジュールを樹脂封止する際に、樹脂と回路層との密着性を低下させることが問題となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュールを構成する各部品の接合界面の検査精度を良好に確保するとともに、回路層と樹脂との密着性を良好に確保できるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の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銅又はアルミニウムからなる回路層とを備え、前記回路層は、素子が搭載される第１回路層領域と該第１回路層領域の周囲を囲むように配置された第２回路層領域とを備え、前記第１回路層領域の平均結晶粒径が、前記第２回路層領域の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。
このパワーモジュール用基板の回路層は、半導体素子等の素子が搭載（実装）される第１回路層領域の平均結晶粒径を周辺の第２回路層領域の平均結晶粒径よりも小さくしているので、超音波探査映像装置により回路層を介して素子と回路層との接合界面を検査する際に、回路層でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。
一方、第１回路層領域の周辺の第２回路層領域は、第１回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第１回路層領域よりも第２回路層領域の表面の表面粗度（表面粗さ）を大きく設けることができる。回路層上に素子を実装したパワーモジュールを樹脂封止する際には、回路層の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいので、周縁に配置される第２回路層領域の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂を回路層の周縁に強固に固定でき、モールド樹脂と回路層との密着性を良好に確保できる。
一方、第１回路層領域の周辺の第２回路層領域は、第１回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第１回路層領域よりも第２回路層領域の表面の表面粗度（表面粗さ）を大きく設けることができる。回路層上に素子を実装したパワーモジュールを樹脂封止する際には、回路層の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいので、周縁に配置される第２回路層領域の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂を回路層の周縁に強固に固定でき、モールド樹脂と回路層との密着性を良好に確保できる。
本発明のパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記セラミックス基板の他方の面に前記回路層と同じ金属からなる金属層を備え、前記金属層は少なくとも前記第１回路層領域に対向して配置される第１金属層領域を備え、前記第１金属層領域が前記第１回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けられているとよい。
セラミックス基板の他方の面に金属層を備えるパワーモジュール用基板でも、回路層の第１回路層領域に対向する第１金属層領域を、第１回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けておくことで、超音波探査映像装置によりパワーモジュール用基板を介して素子と回路層との接合界面を検査する際に、回路層に加えて金属層でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。
本発明のパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記回路層が銅のとき、前記第１回路層領域の平均結晶粒径が２５０μｍ未満であるとよい。また、前記回路層がアルミニウムのとき、前記第１回路層領域の平均結晶粒径が３７５μｍ未満であるとよい。
回路層が銅又はアルミニウムのときに、第１回路層領域の平均結晶粒径を上記範囲内に調整することにより、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板を接合して前記セラミックス基板に前記回路層を形成する回路層形成工程を有しており、前記回路層のうち、素子が搭載される第１回路層領域となる第１金属材として、前記第１回路層領域を除いた第２回路層領域となる第２金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用意しておき、前記回路層形成工程において、前記第１金属材と前記第２金属材とをろう接合材を介して隣接させて配置するとともに、これらの前記第１金属材と前記ろう接合材と前記第２金属材との回路層用積層体を前記ろう接合材と同じろう接合材を介して前記セラミックス基板の一方の面に重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記回路層用積層体との積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１金属材と前記第２金属材とを接合するとともに、前記第１金属材と前記第２金属材とを前記セラミックス基板に接合して、前記セラミックス基板の一方の面に前記第１回路層領域と前記第２回路層領域とを有する前記回路層を形成する。
このように、第１金属材として、第２金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いることで、第１回路層領域と第２回路層領域とを備える回路層を容易に形成できる。また、回路層形成工程では、回路層を構成する第１金属材と第２金属材との接合と、これら第１金属材及び第２金属材とセラミックス基板との接合とを同時に行うことができ、それぞれに必要なろう接合材に共通するものを用いることができるので、パワーモジュール用基板の製造工程を簡略化できる。
本発明によれば、パワーモジュールを構成する各部品の接合界面の検査精度を良好に確保するとともに、回路層と樹脂との密着性を良好に確保できる。
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は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１０１を示している。このパワーモジュール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の表面に搭載された半導体素子等の素子９１とを備え、素子９１とパワーモジュール用基板１０とがエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８１により樹脂封止されたものである。このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール１０１の露出面（パワーモジュール用基板１０の露出面）をヒートシンク（図示略）等の表面に押し付けて固定された状態で使用される。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１０１を示している。このパワーモジュール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の表面に搭載された半導体素子等の素子９１とを備え、素子９１とパワーモジュール用基板１０とがエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８１により樹脂封止されたものである。このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール１０１の露出面（パワーモジュール用基板１０の露出面）をヒートシンク（図示略）等の表面に押し付けて固定された状態で使用される。
パワーモジュール用基板１０は、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等のセラミックス材料により形成される。
セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等のセラミックス材料により形成される。
回路層１２は、銅（純銅又は銅合金）又はアルミニウム（純アルミニウム又はアルミニウム合金）により形成され、これらの金属からなる金属板をセラミックス基板１１の一方の面にＡｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉ系もしくはＡｌ‐Ｓｉ系等のろう接合材により接合することで形成される。また、回路層１２は、図１及び図２に示すように、素子９１が搭載される第１回路層領域１２１と、その第１回路層領域１２１を除いた第２回路層領域１２２と、を備えており、第１回路層領域１２１の平均結晶粒径が第２回路層領域１２２の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。また、第１回路層領域１２１の周辺の第２回路層領域１２２は、第１回路層領域１２１よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第１回路層領域１２１よりも第２回路層領域１２２の表面の表面粗度（表面粗さ、算術平均粗さＲａ）が大きく設けられる。
なお、図１の符号９２は、素子９１を固着するはんだ材等の接合層を示しており、素子９１が搭載される領域とは、この接合層９２の形成領域までを含むものとする。
なお、図１の符号９２は、素子９１を固着するはんだ材等の接合層を示しており、素子９１が搭載される領域とは、この接合層９２の形成領域までを含むものとする。
第１実施形態では、図２（ｂ）の回路層１２側から視た平面図に示すように、第１回路層領域１２１が矩形状に設けられており、その第１回路層領域１２１の周囲を囲むようにして矩形枠状の第２回路層領域１２２が設けられている。なお、第１回路層領域１２１や第２回路層領域１２２の形状は上記の形状に限定されるものではなく、円形等の任意の形状で形成することもできる。
第１回路層領域１２１の平均結晶粒径は、回路層１２が銅（Ｃｕ）のとき２５０μｍ未満であることが好ましい。一方、回路層１２がアルミニウム（Ａｌ）のとき、第１回路層領域１２１の平均結晶粒径が３７５μｍ未満であることが好ましい。
第１回路層領域１２１の平均結晶粒径を上記範囲内に調整することにより、回路層１２における超音波の反射を低減でき、回路層１２を介して行う超音波探査映像装置（ＳＡＴ）による検査精度を良好に確保できる。一方、回路層１２上に素子９１を実装したパワーモジュール１０１を樹脂封止する際には、回路層１２の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいことから、周縁に配置される第２回路層領域１２２の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂８１を回路層１２の周縁に強固に固定できる。したがって、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。なお、樹脂封止時の密着性を確実に確保するためには、第１回路層領域１２１を回路層１２の周縁から０．５ｍｍ以上内側の領域に形成し、第２回路層領域１２２の形成領域を確保することが望ましい。
第１回路層領域１２１の平均結晶粒径を上記範囲内に調整することにより、回路層１２における超音波の反射を低減でき、回路層１２を介して行う超音波探査映像装置（ＳＡＴ）による検査精度を良好に確保できる。一方、回路層１２上に素子９１を実装したパワーモジュール１０１を樹脂封止する際には、回路層１２の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいことから、周縁に配置される第２回路層領域１２２の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂８１を回路層１２の周縁に強固に固定できる。したがって、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。なお、樹脂封止時の密着性を確実に確保するためには、第１回路層領域１２１を回路層１２の周縁から０．５ｍｍ以上内側の領域に形成し、第２回路層領域１２２の形成領域を確保することが望ましい。
金属層１３は、回路層１２と同じ金属からなり、回路層１２と同様に、金属板をセラミックス基板１１の他方の面にろう接合材により接合することで形成される。また、図１及び図２（ａ）に示すように、金属層１３は、少なくとも第１回路層領域１２１に対向して配置される第１金属層領域１３１を備え、この第１金属層領域１３１が第１回路層領域１２１と同じ平均結晶粒径に設けられている。この場合、金属層１３は、第１金属層領域１３１を除いた部分、すなわち第２回路層領域１２２に対向する部分に矩形枠状の第２金属層領域１３２が設けられており、第１金属層領域１３１の平均結晶粒径が第２金属層領域１３２の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。
なお、図１等では、金属層１３が回路層１２と同じ平面積で形成されているが、金属層１３は回路層１２と異なる平面積としてもよい。
なお、図１等では、金属層１３が回路層１２と同じ平面積で形成されているが、金属層１３は回路層１２と異なる平面積としてもよい。
第１回路層領域１２１及び第２回路層領域１２２、第１金属層領域１３１及び第２金属層領域１３２の各平均結晶粒径は、例えば、光学顕微鏡を用いて測定される。本実施形態では、光学顕微鏡により観察される既知の面積（例えば５０００ｍｍ２）の測定範囲内に完全に含まれる結晶粒の数と、測定範囲の周辺で切断されている結晶粒の半分の数と、を足した数を全結晶粒数とし、測定範囲の面積を全結晶粒数で割った面積から、円相当径（金属粒子の単位面積と同じ面積を持つ円の直径）を算出し、この円相当径を各平均結晶粒径とした。
このように構成されるパワーモジュール用基板１０の諸寸法について、一例を挙げると、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１の板厚が０．１ｍｍ～１．５ｍｍ、Ｃｕ（銅）からなる回路層１２及び金属層１３の板厚が０．０５ｍｍ～３．０ｍｍとされる。ただし、これらの寸法は、上記数値範囲に限られるものではない。
素子９１は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。この場合、素子９１は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の上面にはんだ付け等により接合されることで、素子９１が回路層１２の上面に搭載されている。また、素子９１の上部電極部は、リードフレーム（図示略）等を介して回路層１２の回路電極部等に接続される。
また、パワーモジュール１０１は、素子９１とパワーモジュール用基板１０とが、金属層１３の裏面側を除いてモールド樹脂８１により樹脂封止されることにより一体化されている。モールド樹脂８１としては、例えばＳｉＯ２フィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができ、例えばトランスファーモールドにより成形される。
次に、パワーモジュール用基板１０を製造する方法について、図３を用いて工程順に説明する。
図１及び図２に示すように、セラミックス基板１１の両面にそれぞれ回路層１２と金属層１３とを備えるパワーモジュール用基板１０については、回路層１２を形成する回路層形成工程と、金属層１３を形成する金属層形成工程とを、同時に行うことができる。回路層形成工程では、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板を接合してセラミックス基板１１に回路層１２を形成する。また、金属層形成工程では、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板を接合してセラミックス基板１１金属層１３を形成する。
回路層１２となる金属板として、図３（ａ）に示すように、第１回路層領域１２１となる第１金属材２２１ａと、第２回路層領域１２２となる第２金属材２２２ａとを用意する。第１金属材２２１ａには、第２回路層領域１２２となる第２金属材２２２ａよりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いる。結晶粒抑制材は、銅材であれば、８００℃で加熱した際に、結晶粒の粗大化が抑制され、平均結晶粒径が２５０μｍ未満とされるものを好適に用いることができる。具体的には、第１金属材２２１ａには、結晶粒抑制材として、古河電工株式会社製のＧＯＦＣを用いることができる。これに対し、第２金属材２２２ａには、一般的な圧延板の無酸素銅（ＯＦＣ）を用いることができる。第２金属材２２２ａは、８００℃で加熱した際に結晶粒が粗大化し、平均結晶粒径が２５０μｍ以上となる。
なお、これらの金属材２２１ａ，２２２ａは、それぞれプレス加工により板材を打ち抜くことで所望の外形に形成される。例えば、第１金属材２２１ａは、素子９１を搭載可能な平面積を有する矩形板状に形成される。一方、第２金属材２２２ａは、第１金属材２２１ａを嵌め込むことが可能な矩形孔２２３を有し、第１金属材２２１ａよりも大判の矩形板状に形成される。
また、本実施形態では、金属層１３となる金属板は、回路層１２となる金属材２２１ａ，２２２ａと同様の構成により形成される。つまり、金属層１３となる金属板として、第１金属材２２１ａと同じ構成の第１金属材２２１ｂと、第２金属材２２２ａと同じ構成の第２金属材２２２ｂとを用いる。
また、これらの第１金属材２２１ａ，２２１ｂ、第２金属材２２２ａ，２２２ｂ及びセラミックス基板１１を接合するろう接合材２２４としては、例えばＡｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉ系ろう材を用いることができる。この場合、ろう接合材２２４は、予め第１金属材２２１ａ，２２１ｂ及び第２金属材２２２ａ，２２２ｂの各接合面又はいずれかの接合面に塗布しておくことで、容易に取り扱うことができる。図３（ｂ）では、第１金属材２２１ａの下面及び第１金属材２２１ｂの上面に予めろう接合材２２４を塗布するとともに、第２金属材２２２ａの下面及び矩形孔２２３の内面と、第２金属材の２２２ｂの上面と矩形孔２２３の内面とに予めろう接合材２２４を塗布している。
図２（ｃ）に示すように、回路層１２を形成する第１金属材２２１ａと第２金属材２２２ａとをろう接合材２２４を介して隣接して配置するとともに、これらの第１金属材２２１ａとろう接合材２２４と第２金属材２２２ａとで構成される回路層用積層体２５１を、同じろう接合材２２４を介してセラミックス基板１１の一方の面に重ねて配置する。また、同様に、セラミックス基板１１の他方の面に、金属層１３を形成する第１金属材２２１ｂとろう接合材２２４と第２金属材２２２ｂとで構成される金属層用積層体２５２を、同じろう接合材２２４を介して重ねて配置する。この状態で、図２（ｃ）に白抜き矢印で示すように、金属層用積層体２５２、セラミックス基板１１、回路層用積層体２５１の積層方向に加圧して加熱する。
これにより、回路層１２となる第１金属材２２１ａと第２金属材２２２ａとを接合するとともに、これらの第１金属材２２１ａと第２金属材２２２ａとをセラミックス基板１１の一方の面に接合して、セラミックス基板１１の一方の面に第１回路層領域１２１と第２回路層領域１２２とを有する回路層１２を形成する。また、同時に、金属層１３となる第１金属材２２１ｂと第２金属材２２２ｂとを接合するとともに、これらの第１金属材２２１ｂと第２金属材２２２ｂとをセラミックス基板１１の他方の面に接合して、セラミックス基板１１の他方の面に第１金属層領域１３１と第２金属層領域１３２とを有する金属層１３を形成する。これにより、図２（ｄ）に示すように、金属層１３とセラミックス基板１１と回路層１２とが順に積層されたパワーモジュール用基板１０が製造される。
そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０に、図１に示すように、素子９１を搭載する。素子９１は、回路層１２の第１回路層領域１２１の上面に、例えば銀焼結やはんだ接合材からなる接合層９２を介して接合する。また、図示は省略するが、素子９１に必要な配線等を接続し、回路層１２と素子９１とを電気的に接続してパワーモジュール１０１を製造する。その後、金属層１３の下面を除いたパワーモジュール１０１の全体をモールド樹脂８１により封止する。回路層１２の周縁に設けられる第２回路層領域１２２の表面は、第１回路層領域１２１の表面よりも表面粗さが大きく設けられているため、モールド樹脂８１が回路層１２の表面に大きく露出する第２回路層領域１２２の表面に密着して、強固に接合することができる。
このように構成されるパワーモジュール１０１のパワーモジュール用基板１０では、回路層１２を、素子９１が搭載（実装）される第１回路層領域１２１の平均結晶粒径を周辺の第２回路層領域１２２の平均結晶粒径よりも小さくしているので、超音波探査映像装置により回路層１２を介して素子９１と回路層１２との接合界面を検査する際に、回路層１２でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。また、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３でも、回路層１２の第１回路層領域１２１に対向する第１金属層領域１３１を、第１回路層領域１２１と同じ平均結晶粒径に設けているので、超音波探査映像装置によりパワーモジュール用基板１０を介して素子９１と回路層１２との接合界面を検査する際に、回路層１２に加えて金属層１３でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。
一方、回路層１２の第１回路層領域１２１の周辺の第２回路層領域１２２は、第１回路層領域１２１よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第１回路層領域１２１よりも第２回路層領域１２２の表面の表面粗度（表面粗さ）を大きく設けることができる。回路層１２上に素子９１を実装したパワーモジュール１０１を樹脂封止する際には、回路層１２の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいので、周縁に配置さえる第２回路層領域１２２の表面粗度を大きく設けておくことで、樹脂を回路層１２の周縁に強固に固定でき、樹脂と回路層１２との密着性を良好に確保できる。このように構成されるパワーモジュール１０１は、使用環境において熱サイクル等が作用するが、モールド樹脂８１が回路層１２表面に強固に密着しているため剥がれにくく、長期的信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、第１金属材２２１ａとして、第２金属材２２２ａよりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いることで、第１回路層領域１２１と第２回路層領域１２２とを備える回路層１２を容易に形成できる。また、回路層形成工程では、回路層１２を構成する第１金属材２２１ａと第２金属材２２２ａとの接合と、これら第１金属材２２１ａ及び第２金属材２２２ａとセラミックス基板１１との接合とを同時に行うことができ、それぞれに必要なろう接合材２２４に共通するものを用いることができる。したがって、パワーモジュール用基板１０の製造工程を簡略化できる。
なお、前述した第１実施形態においては、パワーモジュール用基板１０がセラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３を備える構成とされていたが、図４に示す第２実施形態のパワーモジュール用基板２０のように、セラミックス基板１１の他方の面に金属層を設けることなく、一方の面に形成された回路層１２のみを備える構成も、本発明に含まれる。
また、前述した第１実施形態では、金属層１３が第１金属層領域１３１と第２金属層領域１３２とを備える構成とされていたが、図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板３０のように、金属層３３を第１金属層領域１３１のみで構成してもよい。
なお、第２実施形態及び第３実施形態において、第１実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を省略する。
また、前述した第１実施形態では、金属層１３が第１金属層領域１３１と第２金属層領域１３２とを備える構成とされていたが、図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板３０のように、金属層３３を第１金属層領域１３１のみで構成してもよい。
なお、第２実施形態及び第３実施形態において、第１実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を省略する。
なお、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。
例えば、上記実施形態では、素子９１の片面（下部電極部）をパワーモジュール用基板１０の回路層１２に搭載していたが、図６に示すパワーモジュール１０２のように、素子９１の両面にパワーモジュール用基板１０をそれぞれ配置する構成とすることにより、両面冷却構造とすることも可能である。
例えば、上記実施形態では、素子９１の片面（下部電極部）をパワーモジュール用基板１０の回路層１２に搭載していたが、図６に示すパワーモジュール１０２のように、素子９１の両面にパワーモジュール用基板１０をそれぞれ配置する構成とすることにより、両面冷却構造とすることも可能である。
また、上記実施形態では、平均結晶粒径を領域毎に異ならせた回路層１２と金属層１３とを銅（純銅又は銅合金）により形成したが、アルミニウム（純アルミニウム又はアルミニウム合金）を用いても平均結晶粒径を領域毎に異ならせて回路層１２と金属層１３とを形成できる。
例えば、アルミニウムの鋳塊を所望の板厚まで圧延する圧延工程における１パス当たりの圧下率を調整することで、平均結晶粒径を制御できる。具体的には、１パス当たりの圧下率を大きくすると、平均結晶粒径を大きくできる。そして、このように平均結晶粒径が調整された圧延材を用いることで、第１回路層領域と第２回路層領域とで平均結晶粒径が異なる回路層を有するパワーモジュール用基板を容易に製造できる。
例えば、アルミニウムの鋳塊を所望の板厚まで圧延する圧延工程における１パス当たりの圧下率を調整することで、平均結晶粒径を制御できる。具体的には、１パス当たりの圧下率を大きくすると、平均結晶粒径を大きくできる。そして、このように平均結晶粒径が調整された圧延材を用いることで、第１回路層領域と第２回路層領域とで平均結晶粒径が異なる回路層を有するパワーモジュール用基板を容易に製造できる。
以下、本発明の効果を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
表１～表２に示すように、素子とパワーモジュール用基板とを接合したパワーモジュールの実施例１－１～１－３及び２－１～２－３と比較例１－１～１－３及び２－１～２－３とを作製した。パワーモジュール用基板には、セラミックス基板の一方の面に、表１及び表２に示す構成の回路層を形成したものを用いた。
実施例１－１～１－３及び２－１～２－３では、回路層は、素子が搭載される第１回路層領域を、それ以外の第２回路層領域よりも平均結晶粒径を小さくして形成した。一方、比較例１－１～１－２及び２－１～２－２では、回路層を第１回路層領域と第２回路層領域とに区別することなく、一律の平均結晶粒径を有する金属板により形成した。また、比較例１－３及び比較例２－３では、素子が搭載される第１回路層領域を、それ以外の第２回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくして形成した。
実施例１－１～１－３及び２－１～２－３では、回路層は、素子が搭載される第１回路層領域を、それ以外の第２回路層領域よりも平均結晶粒径を小さくして形成した。一方、比較例１－１～１－２及び２－１～２－２では、回路層を第１回路層領域と第２回路層領域とに区別することなく、一律の平均結晶粒径を有する金属板により形成した。また、比較例１－３及び比較例２－３では、素子が搭載される第１回路層領域を、それ以外の第２回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくして形成した。
セラミックス基板には、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなる板厚が０．３２ｍｍ、平面サイズが３０ｍｍ×３０ｍｍの矩形板を用いた。回路層には、板厚が１．６ｍｍ、平面サイズが２８ｍｍ×２８ｍｍの矩形板を用い、回路層の中央部分の２３ｍｍ×２３ｍｍ範囲内を第１回路層領域とし、第１回路層領域の周囲を第２回路層領域とした。また、回路層となる各金属板が銅の場合にはＡｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉ系ろう接合材を用い、アルミニウムの場合にはＡｌ‐Ｓｉ系ろう接合材を用いて、セラミックス基板と金属板とを接合して、パワーモジュール用基板を作製した。
得られた各パワーモジュール用基板の回路層の上面の表面粗さ測定を行い、回路層表面の第１回路層領域と第２回路層領域の表面粗さを測定した。なお、比較例１－１～１－２及び２－１～２－２については、第１回路層領域と第２回路層領域に相当する箇所の表面粗さを測定した。
次いで、各パワーモジュール用基板の回路層（第１回路層領域）の表面に素子をはんだ材（Ｓｎ‐Ｃｕ系はんだ材）により接合し、パワーモジュールを製造した。そして、得られたパワーモジュールについて、回路層を介さない素子側と、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、の双方からはんだ接合層を検査し、はんだ接合層中のボイド面積率を測定した。また、得られたパワーモジュールの素子とパワーモジュール用基板とを樹脂封止し、樹脂と回路層との密着性を評価した。なお、樹脂はエポキシ樹脂を用い、トランスファーモールドによって樹脂封止を行った。
次いで、各パワーモジュール用基板の回路層（第１回路層領域）の表面に素子をはんだ材（Ｓｎ‐Ｃｕ系はんだ材）により接合し、パワーモジュールを製造した。そして、得られたパワーモジュールについて、回路層を介さない素子側と、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、の双方からはんだ接合層を検査し、はんだ接合層中のボイド面積率を測定した。また、得られたパワーモジュールの素子とパワーモジュール用基板とを樹脂封止し、樹脂と回路層との密着性を評価した。なお、樹脂はエポキシ樹脂を用い、トランスファーモールドによって樹脂封止を行った。
（回路層表面の表面粗さ測定）
回路層（第１回路層領域及び第２回路層領域）表面の表面粗さ（Ｒａ）測定は、サーフテスター（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社製ＳＪ－４１０）を用いて実施した。結果を表１及び表２に示す。
回路層（第１回路層領域及び第２回路層領域）表面の表面粗さ（Ｒａ）測定は、サーフテスター（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社製ＳＪ－４１０）を用いて実施した。結果を表１及び表２に示す。
（はんだ接合層中のボイドの直径の測定方法）
得られたパワーモジュールに対し、超音波探査映像装置（ＳＡＴ、日立エンジニアリング・アンド・サービス社製ＥＳ５０００）を用いて、回路層と素子との接合界面（はんだ接合層）を観察した。回路層と素子との接合界面の観察は、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、回路層を介さない素子側との双方から行い、超音波探査映像装置により観察されるボイドの直径を各方向から測定した。ボイドの直径は、観察されたボイドの面積から、同じ面積を持つ円の直径を算出し、この円相当径をボイドの直径とした。なお、１つの接合界面内に複数のボイドが有る場合には、各ボイドの直径の平均値（平均直径）を算出した。また、素子側から観察した際のボイドの平均直径Ｄ１と、パワーモジュール用基板側から観察した際のボイドの平均直径Ｄ２と、の比率（Ｄ１／Ｄ２）×１００［％］を算出した。
得られたパワーモジュールに対し、超音波探査映像装置（ＳＡＴ、日立エンジニアリング・アンド・サービス社製ＥＳ５０００）を用いて、回路層と素子との接合界面（はんだ接合層）を観察した。回路層と素子との接合界面の観察は、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、回路層を介さない素子側との双方から行い、超音波探査映像装置により観察されるボイドの直径を各方向から測定した。ボイドの直径は、観察されたボイドの面積から、同じ面積を持つ円の直径を算出し、この円相当径をボイドの直径とした。なお、１つの接合界面内に複数のボイドが有る場合には、各ボイドの直径の平均値（平均直径）を算出した。また、素子側から観察した際のボイドの平均直径Ｄ１と、パワーモジュール用基板側から観察した際のボイドの平均直径Ｄ２と、の比率（Ｄ１／Ｄ２）×１００［％］を算出した。
得られた比率の値が小さいほど、素子側から観察した際のボイドの平均直径と、パワーモジュール用基板側から観察した際のボイドの平均直径と、の差が小さく、良好な検査精度が得られる。この場合、検査精度の評価は、比率の値が±１０％未満（比率が９０％を超え１１０％未満）であれば良好「○」とし、±１０％以上（比率が９０％以下又は１１０％以上）の場合を否「×」と評価した。結果を表３及び表４に示す。
（プリンカップ試験による密着性評価）
プリンカップ試験により、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性を評価した。プリンカップ試験は、樹脂‐金属接合特性評価試験方法の国際規格ＩＳＯ１９０９５‐１～４に準拠して行った。具体的には、パワーモジュール用基板の回路層の表面にプリンカップ形状の樹脂を形成し、その樹脂のせん断剥離強度試験を実施した。そして、得られたせん断剥離強度が１５ＭＰａ以上の場合を、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性が良好「○」とし、せん断剥離強度が１５ＭＰａ未満の場合を否「×」と評価した。結果を表３及び表４に示す。
プリンカップ試験により、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性を評価した。プリンカップ試験は、樹脂‐金属接合特性評価試験方法の国際規格ＩＳＯ１９０９５‐１～４に準拠して行った。具体的には、パワーモジュール用基板の回路層の表面にプリンカップ形状の樹脂を形成し、その樹脂のせん断剥離強度試験を実施した。そして、得られたせん断剥離強度が１５ＭＰａ以上の場合を、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性が良好「○」とし、せん断剥離強度が１５ＭＰａ未満の場合を否「×」と評価した。結果を表３及び表４に示す。
表３及び表４の結果からわかるように、回路層が銅のときは、第１回路層領域の平均結晶粒径を２５０μｍ未満とすることで、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。また、回路層がアルミニウムのときは、第１回路層領域の平均結晶粒径を３７５μｍ未満とすることで、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。
１０，２０，３０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３，３３ 金属層
８１ モールド樹脂
９１ 素子
９２ 接合層
１０１，１０２ パワーモジュール
１２１ 第１回路層領域
１２２ 第２回路層領域
１３１ 第１金属層領域
１３２ 第２金属層領域
２２１ａ，２２１ｂ 第１金属材
２２２ａ，２２２ｂ 第２金属材
２２３ 矩形孔
２２４ ろう接合材
２５１ 回路層用積層体
２５２ 金属層用積層体
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３，３３ 金属層
８１ モールド樹脂
９１ 素子
９２ 接合層
１０１，１０２ パワーモジュール
１２１ 第１回路層領域
１２２ 第２回路層領域
１３１ 第１金属層領域
１３２ 第２金属層領域
２２１ａ，２２１ｂ 第１金属材
２２２ａ，２２２ｂ 第２金属材
２２３ 矩形孔
２２４ ろう接合材
２５１ 回路層用積層体
２５２ 金属層用積層体
Claims (5)
- 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銅又はアルミニウムからなる回路層とを備え、
前記回路層は、素子が搭載される第１回路層領域と該第１回路層領域の周囲を囲むように配置された第２回路層領域とを備え、
前記第１回路層領域の平均結晶粒径が、前記第２回路層領域の平均結晶粒径よりも小さく設けられていることを特徴とする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前記回路層と同じ金属からなる金属層を備え、
前記金属層は少なくとも前記第１回路層領域に対向して配置される第１金属層領域を備え、
前記第１金属層領域が前記第１回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。 - 前記回路層が銅のとき、前記第１回路層領域の平均結晶粒径が２５０μｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記回路層がアルミニウムのとき、前記第１回路層領域の平均結晶粒径が３７５μｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板。
- セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板を接合して前記セラミックス基板に前記回路層を形成する回路層形成工程を有しており、
前記回路層のうち、素子が搭載される第１回路層領域となる第１金属材として、前記第１回路層領域を除いた第２回路層領域となる第２金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用意しておき、
前記回路層形成工程において、前記第１金属材と前記第２金属材とをろう接合材を介して隣接させて配置するとともに、これらの前記第１金属材と前記ろう接合材と前記第２金属材との回路層用積層体を前記ろう接合材と同じろう接合材を介して前記セラミックス基板の一方の面に重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記回路層用積層体との積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１金属材と前記第２金属材とを接合するとともに、前記第１金属材と前記第２金属材とを前記セラミックス基板に接合して、前記セラミックス基板の一方の面に前記第１回路層領域と前記第２回路層領域とを有する前記回路層を形成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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