JP7008239B2 - 絶縁回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー素子やＬＥＤ素子、熱電素子等の素子が搭載される絶縁回路基板及びその製造方法に関する。

金属部材とセラミックス部材とを接合してなる絶縁回路基板として、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（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、この種の絶縁回路基板には、例えばパワー素子が搭載されるパワーモジュール用基板のように、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（絶縁回路基板）が開示されている。

このように構成される絶縁回路基板の回路層の表面（上面）に、パワー素子やＬＥＤ素子、熱電素子等の素子がはんだ付け（実装）されることにより、各種のモジュールが製造される。また、素子が実装されたモジュールは、絶縁性確保や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。

特許第３２１１８５６号公報

ところで、各種のモジュールにおける回路層と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、素子や絶縁回路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、絶縁回路基板（回路層）を介して回路層と素子との接合界面（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れるが、この場合には回路層の硬度が増加することで、回路層とセラミックス基板との接合界面における応力差が増加し、絶縁回路基板に反りが生じやすくなる。また、電気伝達性能や放熱性能の観点では、回路層の厚みを比較的大きく（厚く）することが望ましいが、回路層の厚みを大きくすると絶縁回路基板に生じる反りが大きくなり、セラミックス基板が割れるおそれがある。このため、回路層とセラミックス基板との接合信頼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、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、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を良好に確保できる絶縁回路基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の絶縁回路基板は、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、前記回路層が、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１回路層と、該第１回路層の表面に接合された第２回路層と、を有する積層構造とされ、前記第１回路層の厚みが該第１回路層の厚みと前記第２回路層の厚みとを合計した値の２０％以下とされ、前記回路層が銅のとき、前記第１回路層の平均結晶粒径が２５０μｍ以上、前記第２回路層の平均結晶粒径が２５０μｍ未満とされ、前記回路層がアルミニウムのとき、前記第１回路層の平均結晶粒径が３７５μｍ以上、前記第２回路層の平均結晶粒径が３７５μｍ未満とされ、前記回路層は、前記第１回路層と、前記第２回路層と、前記第２回路層の表面に接合された第３回路層と、を有する三層構造とされ、前記第３回路層の厚みが前記第１回路層の厚みと同等とされ、前記第３回路層が前記第１回路層と同等の平均結晶粒径とされる。

この絶縁回路基板では、回路層を第１回路層と第２回路層とを有する積層構造とし、セラミックス基板と接合される第１回路層の平均結晶粒径を銅の場合は２５０μｍ以上、アルミニウムの場合は３７５μｍ以上として比較的大きく設けることで、第１回路層の硬度を低く設けている。これにより、絶縁回路基板の加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減でき、セラミックス基板が割れることを防止できる。したがって、素子の実装工程時や使用環境において、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を良好に確保できる。
また、回路層では、第１回路層の厚みを第１回路層及び第２回路層の厚みを合計した値の２０％以下とし、第１回路層が回路層に占める割合を小さく、すなわち回路層に対して第１回路層の厚みを薄く形成している。前述したように、第１回路層の平均結晶粒径は比較的大きく設けられるが、回路層に占める割合を小さくしている。このため、超音波探査映像装置により絶縁回路基板を介して素子と回路層（第２回路層）との接合界面等を検査する際に、第１回路層における超音波の反射の割合を大きく低減でき、検査精度を良好に確保できる。
このように、第１回路層の厚みと、第１回路層及び第２回路層の平均結晶粒径と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、回路層（第１回路層）とセラミックス基板との接合信頼性との双方を、良好に確保できる。また、回路層全体としては、第１回路層と第２回路層とを組み合わせることで、十分な厚みを確保できる。したがって、回路層として要求される機能である電気伝達性能や放熱性能を良好に確保できる。

素子が搭載（実装）される回路層の表面を第３回路層により形成し、この第３回路層の平均結晶粒径を第１回路層と同等の大きな平均結晶粒径に設けているので、回路層の表面の表面粗度（表面粗さ）も比較的大きくできる。回路層（第３回路層）上に素子を実装したモジュールを樹脂封止すると、モールド樹脂の特に回路層の周縁（第３回路層の周縁）に形成された角部に応力が集中しやすいが、本発明の絶縁回路基板では、第３回路層の平均結晶粒径を大きく設け、その表面の表面粗度を大きく設けているので、モールド樹脂を第３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向上できる。
また、第３回路層の厚みを第１回路層の厚みと同等にし、第３回路層の厚みを薄く形成している。このため、超音波探査映像装置によりモジュールの各部品の接合界面を検査する際の第３回路層における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、回路層全体における超音波の反射を大きく低減でき、検査精度を良好に確保できる。

本発明の絶縁回路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、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第１金属層と、該第１金属層の表面に接合された第２金属層と、を有する積層構造とされ、前記第１金属層の厚みが該前記第１金属層の厚みと前記第２金属層の厚みとを合計した値の２０％以下とされ、前記第１金属層が前記第１回路層と同等の平均結晶粒径に設けられ、前記第２金属層が前記第２回路層と同等の平均結晶粒径に設けられているとよい。

金属層を第１金属層と第２金属層とを有する積層構造とし、第１金属層を第１回路層と同等の大きな平均結晶粒径に設けておくことで、セラミックス基板と接合される第１金属層の硬度を低く設けることができる。このため、絶縁回路基板の加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減でき、セラミックス基板が割れることを防止できる。したがって、素子の実装工程時や使用環境において、絶縁回路基板の回路層とセラミックス基板との接合信頼性だけでなく、金属層とセラミックス基板との接合信頼性も良好に確保できる。
また、金属層においても、第１金属層の厚みを第１金属層及び第２金属層の厚みを合計した値の２０％以下とし、第１金属層が金属層に占める割合を小さく、すなわち金属層に対して第１金属層の厚みを薄く形成している。このため、超音波探傷映像装置により絶縁回路基板を介して素子と回路層（第２回路層）との接合界面を検査する際に、第１金属層における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、回路層に加えて金属層でも超音波の反射を低減でき、超音波探査映像装置による検査精度を良好に確保できる。

本発明の絶縁回路基板の好適な実施態様として、前記金属層は、前記第１金属層と、前記第２金属層と、前記第２金属層の表面に接合された第３金属層と、を有する三層構造とされ、前記第３金属層の厚みが前記第１金属層の厚みと同等とされ、前記第３金属層が前記第１金属層と同等の平均結晶粒径とされているとよい。

金属層の表面を第３金属層により形成し、この第３金属層の平均結晶粒径を第１金属層と同等の大きな平均結晶粒径に設けておくことで、第３金属層の表面の表面粗度を大きく設けることができる。このように、金属層の表面の表面粗度を大きくしておくことで、金属層に放熱層（ヒートシンク）を重ねてはんだ等により接合する際に、金属層とはんだとの濡れ性が向上する。このため、金属層と放熱層との密着性及び接合信頼性を高めることができ、金属層から放熱層への放熱を円滑に行うことができる。また、金属層と放熱層とを熱伝導性グリスを挟んで積層する場合にも、金属層の表面の表面粗度を大きくしておくことで、金属層と放熱層との間に熱伝導性グリスを留めておくことができ、熱伝導性グリスが外部に抜けることを抑制できる。したがって、金属層と放熱層との密着性を良好に確保できるので、金属層と放熱層との間の熱抵抗を低減でき、放熱性能を良好に確保できる。
また、第３金属層の厚みを第１金属層の厚みと同等にし、第３金属層の厚みを薄く形成している。このため、超音波探査映像装置によりモジュールの各部品の接合界面を検査する際の第３金属層における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、金属層全体における超音波の反射を大きく低減でき、検査精度を良好に確保できる。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に接合された第１回路層と該第１回路層の表面に接合された第２回路層とを有する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、前記第１回路層となる第１金属材として、前記回路層と前記セラミックス基板との接合温度における加熱後の平均結晶粒径が前記回路層が銅であれば２５０μｍ以上、前記回路層がアルミニウムであれば３７５μｍ以上となる金属材を用意し、前記第２回路層となる第２金属材として、前記接合温度における加熱後の平均結晶粒径が前記回路層が銅であれば２５０μｍ未満、前記回路層がアルミニウムであれば３７５μｍ未満となる金属材を用意し、前記第１金属材の厚みを該第１金属材の厚みと前記第２金属材の厚みとを合計した値の２０％以下に設けて、前記第１金属材と前記第２金属材とが圧着されたクラッド材を形成しておき、前記回路層形成工程において、前記セラミックス基板の一方の面にろう接合材を介して前記クラッド材の前記第１金属材を重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記クラッド材との積層方向に加圧して前記接合温度で加熱することにより、前記クラッド材の前記第１金属材と前記セラミックス基板とを接合して、前記セラミックス基板の一方の面に前記第１回路層と前記第２回路層とを有する前記回路層を形成する。

予め第１金属材と第２金属材とが圧着されたクラッド材を形成しておくことで、回路層形成工程における接合温度での１回の加熱により、クラッド材とセラミックス基板とを接合して、第１回路層と第２回路層とを備える回路層を容易に形成できる。したがって、絶縁回路基板の製造工程を簡略化できる。

本発明によれば、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、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を良好に確保できる。

本発明の第１実施形態の絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを模式的に表した縦断面図である。 図１に示す絶縁回路基板の縦断面図である。 図２に示す絶縁回路基板の製造方法を工程順に示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態の絶縁回路基板を模式的に表した縦断面図である。 本発明の第３実施形態の絶縁回路基板を模式的に表した縦断面図である。 本発明の第４実施形態の絶縁回路基板を模式的に表した縦断面図である。

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。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の絶縁回路基板の製造方法により製造される絶縁回路基板（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、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０の表面に搭載された素子９１とを備え、素子９１と絶縁回路基板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。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いる。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（絶縁回路基板１０の露出面）を放熱層（ヒートシンク）７１等の表面に熱伝導性グリスを介して押し付ける、又は、はんだ材や接着材等を介して接着して固定された状態で使用される。

絶縁回路基板１０は、図２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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（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、セラミックス基板１１の一方の面に接合された第１回路層１２１と、その第１回路層１２１の表面に接合された第２回路層１２２と、を有する積層構造とされ、回路層１２の表面に配置される第２回路層１２２の表面に素子９１が搭載されるようになっている。

第１回路層１２１の厚みｔ１１は、この第１回路層１２１の厚みｔ１１と第２回路層１２２の厚みｔ１２とを合計した値（ｔ１１＋ｔ１２）の２０％以下とされる。また、回路層１２が銅（Ｃｕ）のとき、第１回路層１２１の平均結晶粒径が２５０μｍ以上とされ、第２回路層１２２の平均結晶粒径が２５０μｍ未満とされる。一方、回路層１２がアルミニウム（Ａｌ）のとき、第１回路層１２１の平均結晶粒径が３７５μｍ以上とされ、第２回路層１２２の平均結晶粒径が３７５μｍ未満とされる。いずれの場合も、第１回路層１２１の平均結晶粒径は、第１回路層１２１の平均結晶粒径よりも大きく設けられる。

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に示すように、金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に接合された第１金属層１３１と、その第１金属層１３１の表面に接合された第２金属層１３２と、を有する積層構造とされる。第１金属層１３１の厚みｔ２１は、この第１金属層１３１の厚みｔ２１と第２金属層１３２の厚みｔ２２とを合計した値（ｔ２１＋ｔ２２）の２０％以下とされる。また、第１金属層１３１が第１回路層１２１と同様の平均結晶粒径に設けられ、第２金属層１３２が第２回路層１２２と同様の平均結晶粒径に設けられる。

第１回路層１２１の平均結晶粒径と第１金属層１３１の平均結晶粒径とが同等とは、第１金属層１３１の平均結晶粒径が基準となる第１回路層１２１の平均結晶粒径と厳密に一致する場合だけでなく、±２０％の差がある場合も含むものとする。同様に、第２回路層１２２の平均結晶粒径と第２金属層１３２の平均結晶粒径とが同等とは、第２金属層１３２の平均結晶粒径が基準となる第２回路層１２２の平均結晶粒径と厳密に一致する場合だけでなく、±２０％の差がある場合も含むものとする。なお、第１金属層１３１の平均結晶粒径は、第１回路層１２１と同様に、回路層１２が銅（Ｃｕ）のとき２５０μｍ以上であり、回路層１２がアルミニウム（Ａｌ）のとき３７５μｍ以上とされる。また、第２金属層１３２の平均結晶粒径は、第２回路層１２２と同様に、回路層１２が銅のとき２５０μｍ未満であり、回路層１２がアルミニウムのとき３７５μｍ未満とされる。

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るが、金属層１３を回路層１２と異なる平面積として形成してもよい。

第１回路層１２１及び第２回路層１２２、第１金属層１３１及び第２金属層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、回路層１２の第１回路層１２１と第２回路層１２２の平均結晶粒径は、回路層１２を厚み方向に研磨し、第２回路層１２２、第１回路層１２１の平面を順に露出させ、各層１２２，１２１の平面における結晶粒を光学顕微鏡を用いて測定した。また、同様に、金属層１３の第１金属層１３１と第２金属層１３２の平均結晶粒径は、金属層１３を厚み方向に研磨し、第２金属層１３２、第１金属層１３１の平面を順に露出させ、各層１３２，１３１の平面におおける結晶粒を光学顕微鏡を用いて測定した。そして、光学顕微鏡により観察される既知の面積（例えば５０００ｍｍ^２）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数の半分の数と、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絶縁回路基板１０の諸寸法について、一例を挙げると、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１の厚み（板厚）が０．１ｍｍ～１．５ｍｍ、Ｃｕ（銅）からなる回路層１２の厚み及び金属層１３の厚みが０．８ｍｍ～３．０ｍｍとされる。また、第１回路層１２１の厚みｔ１１及び第１金属層１３１の厚みｔ２１が０．０１ｍｍ～０．６ｍｍ、第２回路層１２２の厚みｔ１２及び第２金属層１３２の厚みｔ２２が０．７９ｍｍ～２．４ｍｍ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（第２回路層１２２）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と絶縁回路基板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ＳｉＯ_２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、絶縁回路基板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とを備える絶縁回路基板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（クラッド材）を接合して、セラミックス基板１１の一方の面に接合された第１回路層１２１とその第１回路層１２１の表面に接合された第２回路層１２２とを有する回路層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（クラッド材）を接合して、セラミックス基板１１の他方の面に接合された第１金属層１３１とその第１金属層１３１の表面に接合された第２金属層１３２とを有する金属層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１２１となる第１金属材２２１ａと、第２回路層１２２となる第２金属材２２２ａとが圧着されたクラッド材２５１を形成しておく。また、クラッド材２５１の第１金属材２２１ａの厚みを、その第１金属材２２１ａの厚みと第２金属材２２２ａの厚みとを合計した値の２０％以下に設けておく。なお、第１回路層１２１の厚みｔ１１と第１金属材２２１ａの厚みとは、ほぼ同じ厚さとなることから、図３（ａ）では、第１回路層１２１となる第１金属材２２１ａの厚みを、第１回路層１２１の厚みｔ１１と同じ符号ｔ１１で示している。また、第２回路層１２２の厚みｔ１２と第２金属材２２２ａの厚みとは、ほぼ同じ厚さとなることから、図３（ａ）では、第２回路層１２２となる第２金属材２２２ａの厚みを、第２回路層１２２の厚みｔ１２と同じ符号で示している。また、クラッド材２５１は、例えば、第１金属材２２１ａの母材と第２金属材２２２ａの母材とを重ねてロール等で圧延することにより形成できる。なお、クラッド材２５１は、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。

第１金属材２２１ａには、回路層１２とセラミックス基板１１との接合温度における加熱後の平均結晶粒径が、回路層１２が銅（Ｃｕ）であれば２５０μｍ以上、回路層１２がアルミニウム（Ａｌ）であれば３７５μｍ以上となる金属材を用いる。例えば、回路層１２が銅のとき、第１金属材２２１ａ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。この場合、第１金属材２２１ａは、銅からなる回路層１２とセラミックス基板１１との接合温度（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。

一方、第２金属材２２２ａには、回路層１２とセラミックス基板１１との接合温度における加熱後の平均結晶粒径が、回路層１２が銅であれば２５０μｍ未満、回路層１２がアルミニウム（Ａｌ）であれば３７５μｍ未満となる金属材を用いる。例えば、回路層１２が銅のとき、第２金属材２２２ａには、接合温度（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未満とされる結晶粒抑制材を好適に用いることができる。具体的には、第２金属材２２２ａ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。

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とが圧着されたクラッド材２５２を用いる。また、クラッド材２５２は、第１金属材２２１ｂの厚みを、その第１金属材２２１ｂの厚みと第２金属材２２２ｂの厚みとを合計した値の２０％以下に設ける。なお、第１金属層１３１の厚みｔ２１と第１金属材２２１ｂの厚みとは、ほぼ同じ厚さとなることから、図３（ａ）では、第１金属層１３１となる第１金属材２２１ｂの厚みを、第１金属層１３１の厚みｔ２１と同じ符号ｔ２１で示している。また、第２金属層１３２の厚みｔ２２と第２金属材２２２ｂの厚みとは、ほぼ同じ厚さとなることから、図３（ａ）では、第２金属層１３２となる第２金属材２２２ｂの厚みを、第２金属層１３２の厚みｔ３２と同じ符号で示している。

また、これらのクラッド材２５１，２５２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、予めクラッド材２５１の接合面及びクラッド材２５２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を塗布している。

図３（ｃ）に示すように、回路層１２を形成するクラッド材２５１をろう接合材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を形成するクラッド材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３（ｃ）に白抜き矢印で示すように、セラミックス基板１１とクラッド材２５１，２５２との積層方向に加圧して接合温度（８００℃）で加熱する。

これにより、回路層１２となるクラッド材２５１の第１金属材２２１ａとセラミックス基板１１とを接合する。この際、クラッド材２５１は、加熱されることにより第１金属材２２１ａの金属と第２金属材２２２ａの金属とが原子間接合され、強固に接合される。これにより、セラミックス基板１１の一方の面に第１回路層１２１と第２回路層１２２とを有する回路層１２が形成される。また、同時に、金属層１３となるクラッド材２５２の第１金属材２２１ｂとセラミックス基板１１とを接合するとともに、第１金属材２２１ｂと第２金属材２２２ｂとを強固に接合し、セラミックス基板１１の他方の面に第１金属層１３１と第２金属層１３２とを有する金属層１３を形成する。これにより、図３（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絶縁回路基板１０が製造される。

第２金属材２２２ａ，２２２ｂとして、接合温度での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、平均結晶粒径が異なる第１回路層１２１と第２回路層１２２とを備える回路層１２及び第１金属層１３１と第２金属層１３２とを備える金属層１３を形成できる。また、予め第１金属材２２１ａ，２２１ｂと第２金属材２２２ａ，２２２ｂとが圧着されたクラッド材２５１，２５２を形成しておくことで、回路層形成工程及び金属層形成工程における接合温度での１回の加熱により、クラッド材２５１，２５２とセラミックス基板１１とを接合して、第１回路層１２１と第２回路層１２２とを備える回路層１２及び第１金属層１３１と第２金属層１３２とを備える金属層１３を容易に形成できる。したがって、絶縁回路基板１０の製造工程を簡略化できる。

このようにして製造された絶縁回路基板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２回路層１２２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。

このように構成されるパワーモジュール１０１の絶縁回路基板１０では、セラミックス基板１１と接合される第１回路層１２１は、第２回路層１２２と比較して平均結晶粒径が比較的大きく設けられることから、硬度が低く設けられる。このため、絶縁回路基板１０の加熱時等にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減でき、セラミックス基板１１が割れることを防止できる。したがって、素子９１の実装工程時やパワーモジュール１０１の使用環境において、回路層１２とセラミックス基板１１との接合信頼性を良好に確保できる。

また、第２回路層１２２が銅のときに平均結晶粒径を２５０μｍ未満、第２回路層１２２がアルミニウムのときに平均結晶粒径を３７５μｍ未満とすることで、超音波探査映像装置（ＳＡＴ）における超音波の反射を大きく低減できる。前述したように、第１回路層１２１は、銅のとき平均結晶粒径が２５０μｍ以上、アルミニウムのときに平均結晶粒径が３７５μｍ以上とされ、超音波探査映像装置における超音波を反射しやすくなっている。しかし、絶縁回路基板１０では、前述したように、第１回路層１２１の厚みｔ１１を、第１回路層１２１の厚みｔ１１及び第２回路層１２２の厚みｔ１２を合計した値（ｔ１１＋ｔ１２）の２０％以下とし、第１回路層１２１が回路層１２に占める割合を小さく、すなわち回路層１２に対して第１回路層１２１の厚みｔ１１を十分に薄く形成している。このように、第１回路層１２１の平均結晶粒径は比較的大きく設けられるが、回路層１２に占める割合を小さくしているので、超音波探査映像装置における超音波の反射の割合を大きく低減できる。

したがって、絶縁回路基板１０では、第１回路層１２１の厚みｔ１１と、第１回路層１２１及び第２回路層１２２の平均結晶粒径とを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、回路層１２（第１回路層１２１）とセラミックス基板１１との接合信頼性との双方を、良好に確保できる。また、回路層１２全体としては、第１回路層１２１と第２回路層１２２とを組み合わせることで、十分な厚みを確保できる。したがって、回路層１２として要求される機能である電気伝達性能や放熱性能を良好に確保できる。

また、絶縁回路基板１０においては、金属層１３を第１金属層１３１と第２金属層１３２との積層構造とし、第１金属層１３１を第１回路層１２１と同等の平均結晶粒径に設けているので、セラミックス基板１１と接合される第１金属層１３１の硬度も低く設けることができる。このため、絶縁回路基板１０の加熱時等にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減でき、セラミックス基板１１が割れることを防止できる。したがって、素子９１の実装工程時や使用環境において、絶縁回路基板１０の回路層１２とセラミックス基板１１との接合信頼性だけでなく、金属層１３とセラミックス基板１１との接合信頼性を良好に確保できる。

また、金属層１３においても、第１金属層１３１の厚みｔ２１を第１金属層１３１及び第２金属層１３２の厚みｔ２１を合計した値の２０％以下とし、第１金属層１３１が金属層１３に占める割合を小さく、すなわち金属層１３に対して第１金属層１３１の厚みｔ２１を薄く形成している。このため、超音波探傷映像装置により絶縁回路基板１０を介して素子９１と回路層１２（第２回路層１２２）との接合界面を検査する際に、第１金属層１３１における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、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、超音波探査映像装置による検査精度を良好に確保できる。

［その他の実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態の絶縁回路基板２０を示している。前述した第１実施形態においては、絶縁回路基板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実施形態の絶縁回路基板２０のように、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３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。なお、第２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。

図５は、本発明の第３実施形態の絶縁回路基板３０及びパワーモジュール１０３を示している。第３実施形態において、第１実施形態及び第２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。
前述した第１実施形態では、図２に示すように回路層１２が第１回路層１２１と第２回路層１２２とを備える二層構造とされていたが、図５に示す絶縁回路基板３０のように、回路層３２を、第１回路層１２１と、第２回路層１２２と、その第２回路層１２２の表面に接合された第３回路層１２３と、を有する三層構造としてもよい。第３回路層１２３の厚みｔ１３は、第１回路層１２１の厚みｔ１１と同等とされ、第１回路層１２１の厚みｔ１１と第２回路層１２２の厚みｔ１２とを合計した値（ｔ１１＋ｔ１２）の２０％以下とされる。また、第３回路層１２３は、第１回路層１２１と同等の平均結晶粒径とされ、回路層３２が銅のとき第３回路層１２３の平均結晶粒径は２５０μｍ以上とされ、回路層３２がアルミニウムのとき第３回路層１２３の平均結晶粒径は３７５μｍ未満とされる。

なお、三層構造の回路層３２を有する絶縁回路基板３０は、二層構造の回路層１２を有する第１実施形態の絶縁回路基板１０と同様に、容易に製造できる。具体的には、図示は省略するが、回路層３２の各層１２１，１２２，１２３となる３つの金属材を圧着した三層構成のクラッド材を用いることで、回路層形成工程における接合温度での１回の加熱によりクラッド材とセラミックス基板１１とを接合して、第１回路層１２１と第２回路層１２２と第３回路層１２３とを備える回路層３２を容易に形成できる。

第３実施形態の絶縁回路基板３０では、素子９１が搭載される回路層３２の表面を第３回路層１２３により形成し、この第３回路層１２３の平均結晶粒径を第１回路層１２１と同等の大きな平均結晶粒径に設けているので、回路層３２の表面の表面粗度を比較的大きくできる。図５に示すように、回路層３２（第３回路層１２３）上に素子９１を実装したパワーモジュール１０３を樹脂封止すると、モールド樹脂８１の特に回路層３２の周縁（第３回路層１２３の周縁）に形成された角部に応力が集中しやすい。しかし、第３実施形態の絶縁回路基板３０では、第３回路層１２３の平均結晶粒径を大きく設け、その表面の表面粗度を大きく設けているので、モールド樹脂８１を第３回路層１２３の周縁に強固に固定できる。したがって、モールド樹脂８１と回路層３２との密着性を向上できる。

また、第３回路層１２３の厚みｔ１３を第１回路層１２１の厚みｔ１１と同等にし、第３回路層１２３の厚みｔ１３を薄く形成している。このため、超音波探査映像装置によりパワーモジュール１０３の各部品の接合界面を検査する際の第３回路層１２３における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、回路層３２全体における超音波の反射を大きく低減でき、検査精度を良好に確保できる。

図６は、本発明の第４実施形態の絶縁回路基板４０及びパワーモジュール１０４を示している。なお、第４実施形態において、第１～第３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。前述した第１実施形態等では、金属層１３が第１金属層１３１と第２金属層１３２とを備える二層構造とされていたが、図６に示す絶縁回路基板４０のように、金属層３４を、第１金属層１３１と、第２金属層１３２と、その第２金属層１３２の表面に接合された第３回路層１３３と、を有する三層構造としてもよい。第３金属層１３３の厚みｔ２３は、第１金属層１３１の厚みｔ２１と同等とされ、第１金属層１３１の厚みｔ２１と第２金属層１３２の厚みｔ２２とを合計した値（ｔ２１＋ｔ２２）の２０％以下とされる。また、第３金属層１３３は、第１金属層１３１と同等の平均結晶粒径とされ、回路層３２及び金属層３４が銅のとき第３金属層１３３の平均結晶粒径は２５０μｍ以上とされ、回路層３２及び金属層３４がアルミニウムのとき第３金属層１３３の平均結晶粒径は３７５μｍ以上とされる。

第４実施形態の絶縁回路基板４０のように、金属層３４の表面を第３金属層１３３により形成し、この第３金属層１３３の平均結晶粒径を第１金属層１３１と同等の大きな平均結晶粒径に設けておくことで、第３金属層１３３の表面の表面粗度を大きく設けることができる。このように、金属層３４の表面の表面粗度を大きくしておくことで、金属層３４に放熱層（ヒートシンク）７１を重ねてはんだ等により接合する際に、金属層３４とはんだとの濡れ性が向上する。このため、金属層３４と放熱層７１との密着性及び接合信頼性を高めることができ、金属層３４から放熱層７１への放熱を円滑に行うことができる。また、金属層３４と放熱層７１とを熱伝導性グリスを挟んで積層する場合にも、金属層３４の表面の表面粗度を大きくしておくことで、金属層３４と放熱層７１との間に熱伝導性グリスを留めておくことができ、熱伝導性グリスが外部に抜けることを抑制できる。したがって、金属層３４と放熱層７１との密着性を良好に確保できるので、金属層３４と放熱層７１との間の熱抵抗を低減でき、放熱性能を良好に確保できる。

また、第３金属層１３３の厚みｔ２３を第１金属層１３１の厚みｔ２１と同等にし、第３金属層１３３の厚みを薄く形成している。このため、超音波探査映像装置によりパワーモジュール１０４の各部品の接合界面を検査する際の第３金属層１３３における超音波の反射の割合を大きく低減できる。したがって、金属層３４全体における超音波の反射を大きく低減でき、検査精度を良好に確保できる。

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、素子９１の片面（下部電極部）を絶縁回路基板１０の回路層１２に搭載していたが、素子９１の両面に絶縁回路基板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と金属層とを銅（純銅又は銅合金）により形成した一例について説明したが、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と金属層とを形成できる。
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回路層と第２回路層、さらにも第３回路層とで平均結晶粒径が異なる回路層を有する絶縁回路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、素子と絶縁回路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。絶縁回路基板には、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（厚み、平均結晶粒径）の回路層を形成したものを用いた。実施例１－１～１－３及び比較例１－１～１－３では、絶縁回路基板の回路層を銅で形成した。一方、実施例２－１～２－３及び比較例２－１～２－３では、絶縁回路基板の回路層をアルミニウムで形成した。

セラミックス基板には、Ｓｉ_３Ｎ_４（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。回路層を形成するクラッド材には、回路層が銅の場合には厚み（板厚）３．０ｍｍ、回路層がアルミニウムの場合には厚み（板厚）３．０ｍｍで、いずれも平面サイズが２８ｍｍ×２８ｍｍの矩形板を用いた。また、第１金属材（第１回路層）部分の厚みｔ１１と、第２金属材（第２回路層）部分の厚みｔ１２とは、表１及び表２に示す厚みで形成した。表１及び表２に示す「ｔ１１の比率」は、第１回路層の厚みｔ１１と第２回路層の厚みｔ１２との合計の値（ｔ１１＋ｔ１２）に対する第１回路層の厚みｔ１１の比率｛ｔ１１／（ｔ１１＋ｔ１２）｝×１００［％］である。

また、回路層となる各クラッド板が銅の場合には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クラッド材とを接合して、絶縁回路基板を作製した。

得られた各絶縁回路基板の回路層（第２回路層）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、回路層を介した絶縁回路基板側と、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、各絶縁回路基板について冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と回路層との接合率を測定した。

（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、回路層を介した絶縁回路基板側と、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、絶縁回路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、絶縁回路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。

（冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と回路層との接合信頼性）
各絶縁回路基板をＮ＝５個ずつ作製し、－４０℃×５分と１５０℃×５分の液槽冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後に、各絶縁回路基板についてセラミックス基板と回路層との接合界面を観察し、セラミックス基板の割れの有無を判定した。冷熱サイクル試験は、エスペック社製の液槽冷熱衝撃装置ＴＳＢ‐５１を用いて行った。セラミックス基板と回路層との接合界面の観察は、超音波探査映像装置（日立エンジニアリング・アンド・サービス社製ＥＳ５０００）を用いて、セラミックス基板を介してセラミックス基板側から行った。Ｎ＝５個の絶縁回路基板について、セラミックス基板の割れが発生した個数Ａの割合（Ａ／Ｎ）×１００［％］を算出した。得られた割合の値が小さいほど、セラミックス基板の割れの発生数が少なく、セラミックス基板と回路層との接合信頼性高い。この場合、セラミックス基板と回路層との接合信頼性の評価は、割合の値が１０％未満であれば良好「○」とし、１０％以上の場合を否「×」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回路層の厚みｔ１１の比率を２０％以下とし、第１回路層の平均結晶粒径を２５０μｍ以上、第２回路層の平均結晶粒径を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、セラミックス基板と回路層との接合信頼性との双方を、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回路層の厚みｔ１１の比率を２０％以下とし、第１回路層の平均結晶粒径を３７５μｍ以上、第２回路層の平均結晶粒径を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、セラミックス基板と回路層との接合信頼性との双方を、良好に確保できる。

１０，２０，３０，４０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２，３２ 回路層
１３，３４ 金属層
８１ モールド樹脂
９１ 素子
９２ 接合層
１０１，１０３，１０４ パワーモジュール（モジュール）
１２１ 第１回路層
１２２ 第２回路層
１２３ 第３回路層
１３１ 第１金属層
１３２ 第２金属層
１３３ 第３金属層
２２１ａ，２２１ｂ 第１金属材
２２２ａ，２２２ｂ 第２金属材
２２４ ろう接合材
２５１，２５２ クラッド材

Claims (4)

1. 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、
   前記回路層が、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１回路層と、該第１回路層の表面に接合された第２回路層と、を有する積層構造とされ、
   前記第１回路層の厚みが該第１回路層の厚みと前記第２回路層の厚みとを合計した値の２０％以下とされ、
   前記回路層が銅のとき、前記第１回路層の平均結晶粒径が２５０μｍ以上、前記第２回路層の平均結晶粒径が２５０μｍ未満とされ、
   前記回路層がアルミニウムのとき、前記第１回路層の平均結晶粒径が３７５μｍ以上、前記第２回路層の平均結晶粒径が３７５μｍ未満とされ、
   前記回路層は、前記第１回路層と、前記第２回路層と、前記第２回路層の表面に接合された第３回路層と、を有する三層構造とされ、
   前記第３回路層の厚みが前記第１回路層の厚みと同等とされ、前記第３回路層が前記第１回路層と同等の平均結晶粒径とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
2. 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、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第１金属層と、該第１金属層の表面に接合された第２金属層と、を有する積層構造とされ、
   前記第１金属層の厚みが該前記第１金属層の厚みと前記第２金属層の厚みとを合計した値の２０％以下とされ、
   前記第１金属層が前記第１回路層と同等の平均結晶粒径に設けられ、前記第２金属層が前記第２回路層と同等の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に記載の絶縁回路基板。
3. 前記金属層は、前記第１金属層と、前記第２金属層と、前記第２金属層の表面に接合された第３金属層と、を有する三層構造とされ、
   前記第３金属層の厚みが前記第１金属層の厚みと同等とされ、前記第３金属層が前記第１金属層と同等の平均結晶粒径とされていることを特徴とする請求項２に記載の絶縁回路基板。
4. セラミックス基板の一方の面に接合された第１回路層と該第１回路層の表面に接合された第２回路層とを有する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、前記第１回路層となる第１金属材として、前記回路層と前記セラミックス基板との接合温度における加熱後の平均結晶粒径が前記回路層が銅であれば２５０μｍ以上、前記回路層がアルミニウムであれば３７５μｍ以上となる金属材を用意し、
   前記第２回路層となる第２金属材として、前記接合温度における加熱後の平均結晶粒径が前記回路層が銅であれば２５０μｍ未満、前記回路層がアルミニウムであれば３７５μｍ未満となる金属材を用意し、
   前記第１金属材の厚みを該第１金属材の厚みと前記第２金属材の厚みとを合計した値の２０％以下に設けて、前記第１金属材と前記第２金属材とが圧着されたクラッド材を形成しておき、
   前記回路層形成工程において、前記セラミックス基板の一方の面にろう接合材を介して前記クラッド材の前記第１金属材を重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記クラッド材との積層方向に加圧して前記接合温度で加熱することにより、前記クラッド材の前記第１金属材と前記セラミックス基板とを接合して、前記セラミックス基板の一方の
   面に前記第１回路層と前記第２回路層とを有する前記回路層を形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。

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