JP7207904B2 - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック基板に接合された金属板を有するパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。
従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパ
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、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。
パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。最近では、電子部品の金属板等への接合に、銀粒子の焼結体を用いる技術が提案されている。また、金属板表面に酸化膜が形成されてこの接合が阻害されることを抑制するために、電子部品が搭載される金属板の表面に銀などの金属皮膜を設ける技術も提案されている（例えば特許文献１を参照）。そして、電子部品が搭載される部分に金属皮膜を設け、ボンディングワイヤが接続される部分には金属皮膜を設けないことで、ボンディングワイヤの接続信頼性を高めることが行なわれている（例えば特許文献２を参照）。
特開２００６－２０２９３８号公報 国際公開第２０１５／１１４９８７号パンフレット
従来技術のパワーモジュール用基板等のように、金属板の表面に部分的に金属皮膜を設けた場合には、金属皮膜の接着強度が低い場合があった。金属皮膜と金属板との界面の端部が露出しているため、洗浄剤等の処理液が界面の外縁部に浸入してしまう場合があるためであった。金属皮膜の接着強度が低いと、例えば、パワーモジュールがエンジン制御用である場合には、エンジンルーム等の車内における温度変化による熱応力の繰り返しによって、金属皮膜と金属板との界面での破壊によって電子部品がはがれるおそれがあり、パワーモジュールの信頼性が低いものとなってしまうものであった。
本発明の１つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面に接合された金属板と該金属板に部分的に設けられた金属皮膜とを備えており、前記金属板は凹部を有しており、前記金属皮膜は前記凹部の底面に設けられている。
本発明の１つの態様のパワーモジュールは、上記構成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金属皮膜上に搭載された電子部品とを備える。
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属皮膜は凹部の底面に設けられていることから、金属板の凹部の底面と金属皮膜との界面に処理液等が浸入し難いので、金属皮膜の金属板への接着強度が高いものとなる。
本発明の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、電子部品の
接合信頼性が向上したものとなる。
（ａ）はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図である。 図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。 図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。 図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。 （ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）および（ｂ）はいずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。
図１（ａ）はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図である。また、図２は図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。
パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１と、セラミック基板１の表面（主面）に接合された金属板２と、金属板２（の露出した主面）に部分的に設けられた金属皮膜３とを備えている。金属板２は凹部２ａを有しており、金属皮膜３は凹部２ａの底面に設けられている。
パワーモジュール１００において、パワー半導体素子等の電子部品１１が搭載される部分、すなわち回路導体として機能する金属板２の表面の一部に金属皮膜３が設けられている。この金属皮膜３は、金属板２の表面に設けられた凹部２ａの底面に設けられている。そのため、金属皮膜３と金属板２との界面、すなわち金属皮膜３と金属板２の凹部２ａの底面との界面に、パワーモジュール基板１０を作製する際の、例えば金属皮膜３をめっき法で形成する際の処理液等が浸入し難い構造となっている。そのため、処理液等が金属皮膜３と金属板２との界面の周縁部に浸入することによって、例えばこの界面の周縁部に腐食等が生じるなどして金属皮膜３と金属板２との接合強度が低下してしまう可能性が低減されている。
また、図２に示す例のように、金属皮膜３の側面が、凹部２ａの内側面に接しているものとすることができる。このような構成の場合には、処理液等がより侵入し難くなるのに加えて、金属皮膜３が側面でも金属板２と接合しているので、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度をより向上させることができる。
図３は、図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。この例のように、金属皮膜３の厚みが、凹部２ａの深さより小さいものとすることができる。このような場合には、凹部２ａの深さが金属皮膜３の厚みより深いので、金属皮膜３の表面（上面）と金属板２の表面（上面）との間に段差が形成され、金属皮膜３の外周に、凹部２ａの内壁（内側面）の一部が金属皮膜３の表面より突出して位置することとなる。この凹部２ａの内側面に
よって接合材１１ａの金属皮膜３から金属板２表面への濡れ広がりを抑えることができる。そのため、図１に示す例のように、１つの金属板２に２つの電子部品１１が搭載される場合などは、２つの電子部品１１間が近くても短絡しないのでパワーモジュール基板１０を小型化できる。
図４は、図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。この例のように、凹部２ａは底面より開口の方が小さいものとすることができる。さらに言えば、図４に示す例のように、凹部２ａの内側面が内側に傾斜している。このような場合には、金属皮膜３の端部が凹部２ａの内側面に抑えられて剥がれ難くなるので、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度をさらに向上させることができる。
図５（ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図であり、図５（ｂ）は平面図である。 図６（ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図であり、図６（ｂ）は平面図である。図５（ｂ）および図６（ｂ）においては、電子部品１１、接合材１１ａおよびボンディングワイヤ１２を取り除いた状態を示している。金属板２は多数の金属結晶粒２ｂからなり、隣接する金属結晶粒２ｂの境界である結晶粒界部が存在している。この結晶粒界部は金属板２の表面に露出しており、金属板２の凹部２ａの底面においても露出している。そして、図５および図６に示す例のように、凹部２ａの底面において結晶粒界部が凹んでおり、金属皮膜３が結晶粒界部の凹み２ｃの内面を覆って密着しているものとすることができる。このような場合には、金属皮膜３と金属板２との接合面積が大きくなる。また、複数の結晶粒界部の凹み２ｃは複数の金属結晶粒２ｂの間に網目状に形成されており、金属皮膜３はこの結晶粒界部の凹み２ｃ内に入り込んでいるので、金属板２と金属皮膜３との間に熱応力等が加わったときに、金属皮膜３の結晶粒界部の凹み２ｃ内に入り込んだ部分が、金属板２の表面方向（平面方向）のいずれの方向の応力に対してもアンカーとして機能するものとなる。そのため、金属皮膜３が金属板２からより剥がれ難くなるので、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度をさらに向上させることができる。
また図５に示す例の金属皮膜３の厚みは、図６に示す例の金属皮膜３の厚みより小さく、結晶粒界部の凹み２ｃの深さより小さく、また開口幅の１／２より小さい。そのため、図６に示す例では、金属皮膜３は結晶粒界部の凹み２ｃを完全に埋めて、その表面はほぼ平坦であるのに対して、図５に示す例の金属皮膜３の表面は、金属板２の凹部２ａの底面の形状に沿った形状であり、結晶粒界部の凹み２ｃの上部において凹み２ｃに沿って凹んでいる。このように、金属皮膜３の表面は結晶粒界部の凹み２ｃの上部において凹んでいるものとすることができる。言い換えれば、金属皮膜３はその表面に、金属粒界部の凹み２ｃに対応する凹み３ａを有している。このような場合には、接合材１１ａが金属皮膜３の凹み３ａに入り込んで接合されることから、接合材１１ａと金属皮膜３との接合強度が向上するので、電子部品１１とパワーモジュール用基板１０とをさらに強固に接合させることができる。
パワーモジュール１００は、図１に示す例のように、上記のようなパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１とで基本的に構成されている。電子部品１１は、パワーモジュール用基板１０の金属板２に部分的に設けられた金属皮膜３上に搭載されている。このようなパワーモジュール１００によれば、上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えていることから、電子部品１１の接合信頼性が向上したものとなる。
セラミック基板１は、セラミックス焼結体からなり、金属板２を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板１は、セラミック基板１の表面に接合された複数の金属板２の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、セラミック基板１の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。
セラミック基板１のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体および窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体などを用いることができる。セラミック基板１は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。
金属板２は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では９９％以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板２における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ１２と金属板２との接合強度の向上に関して有利である。
図１に示す例のパワーモジュール用基板１０においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２（２１）、金属板２（２１）を挟むように配置されて接合された２対の計４つの金属板２（２２）およびセラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）を備えている。この例では、セラミック基板１の上面に接合された金属板２は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。金属板２の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。
金属板２は、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含む、例えばＡｇ－Ｃｕ系のろう材（不図示）によってセラミック基板１に接合、つまりろう付けされている。ろう材は、活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板１の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層（図示せず）を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板１の表面の所定位置に形成することができる。
金属板２は、打ち抜き加工等であらかじめ所定形状に加工したものをろう付けしてもよいし、セラミック基板１と同程度の大きさの金属素板をセラミック基板１にろう付けした後にエッチング等で所定形状の金属板２に加工してもよい。セラミック基板に上記ろう材を含むろう材ペーストを塗布し、その上に金属板２（金属素板）を載置して加熱することによってろう付けされる。このときのろう材ペーストはスクリーン印刷等で塗布することができるが、セラミック基板１の全面にろう材ペーストを塗布してもよいし、所定形状に塗布してもよい。セラミック基板１の全面に塗布する場合は、金属板２（金属素板）をろう付けした後に、エッチング等によって金属板２間の不要な部分を除去すればよい。
金属板２（の露出した主面）には、金属皮膜３が部分的に設けられている。金属板２は凹部２ａを有しており、金属皮膜３は凹部２ａの底面に設けられている。この金属皮膜３は、パワーモジュール１００において電子部品１１が搭載される部分に設けられる。電子部品１１の接合材１１ａによる金属板２への接合性を高めるための皮膜である。
金属皮膜３は、例えばめっき法によってセラミック基板１に接合された金属板２の上面に形成することができる。めっき工程において、金属板２の上面における金属皮膜３を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材（レジスト膜）でカバーしておけば、金属皮膜３を金属板２の上面の一部にのみ設けることができる。この場合、被覆材は、めっき工程後に機械的または化学的な手段で除去する。機械的な除去は、ジグ等で樹脂材料を引き剥がす方法であり、化学的な除去は有機溶剤または有機酸等の除去剤で除去する方法である。あるいは、金属板２の上面の全面に金属皮膜３を形成し、電子部品１１を搭載する領
域を被覆材で被覆して、それ以外の領域の金属皮膜３をエッチングで除去することでも、金属板２の上面に金属皮膜３を部分的に設けることができる。
セラミック基板１と同程度の大きな金属素板をセラミック基板１に接合して、電解めっき法によって所定位置に金属皮膜３を形成した後に、エッチングで所定形状の金属板２を形成することもできる。
金属皮膜３の表面は、銀層または金層からなる。金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分に銀層または金層を最表層とする金属皮膜３が配置されているため、金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材１１ａを介して電子部品１１を金属板２（２１）の表面（上面）に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜３は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。
金属皮膜３が銀層または金層である場合、すなわち金属皮膜３が銀層または金層のみからなる場合には、金属皮膜３の形成工程において、めっき、エッチング、熱処理工程数を減らすことができ、被覆材除去の際の除去剤によるセラミック基板１および金属皮膜３の機械的強度の低下を抑制し、また工程数削減によりパワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。
金属皮膜３を複数層で構成する場合には、金属板２と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜３の金属板２への接合強度を向上させることができる。金属皮膜３を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板２（の凹部２ａの底面）側から、ニッケル／パラジウム／銀（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｇ）、ニッケル／パラジウム／金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材（金属板２）に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜３が金属板２の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材１１ａとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜３上に電子部品１１を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。
また、金属皮膜３が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜３が、セラミック基板１の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板２から金属皮膜３への銅等の金属の拡散を抑制することができることから、金属皮膜３の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。
接合材１１ａとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜３の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜３とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品１１の金属板２への接合性が高いものとなる。
金属皮膜３が上記のようなＮｉ／Ｐｄ／Ａｇの３層構成である場合は、各層は以下のようにして形成することができる。銀層は、例えばシアン化銀を主成分とするシアン系の電気銀めっき液中で、ニッケル層およびパラジウム層を被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成された銀層は、例えば銀を99.99質量％以上含有する、いわゆる純銀層である。銀層は、前述した例の
ように金属板２の上面に直接に被着させるようにしてもよい。ニッケル層は、例えば硫酸ニッケル等を主成分とするワット浴等のニッケルめっき液中で、金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたニッケル層は、例えばニッケルを主成分とし、コバルト等の金属成分を含む金属層となっている。パラジウム層は、例えばパラジウムのアンミン錯体等を主成分とするパラジウムめっき液中で、ニッケル層を被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたパラジウム層は、例えばパラジウムを99.99質量％以上含有する、いわゆる純パラジウム層である。
金属皮膜３を形成する方法は、例えば上述した電気めっき（電解めっき法）以外に無電解めっき法が挙げられるが、金属板２の凹部２ａの底面に結晶粒界部の凹み２ｃが形成されており、金属皮膜３を結晶粒界部の凹み２ｃの内面を覆って密着させる場合には、電解めっき法の方がより効果的である。それは、無電解めっき法の場合には、結晶粒界部の凹み２ｃの開口幅や深さによっては、電解めっき法と比較して、結晶粒界部の凹み２ｃの開口が金属皮膜３で塞がれ、この金属皮膜３と結晶粒界部の凹み２ｃの底との間に空間が形成されやすいためである。このような空間は金属皮膜３と金属板２とが接合されていない部分であって接合強度が低い部分であり、また加熱により空間内の気体が膨張して金属皮膜３が膨れてしまい、より接合強度が低下してしまうおそれがある。
金属皮膜３が設けられている凹部２ａは、平面視の寸法が搭載される電子部品１１の寸法より一回り大きく、金属皮膜３と同程度の大きさである。凹部２ａの深さは、例えば２μｍ～２０μｍである。凹部２ａは、金属板２の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜３を形成する位置に開口を設けた被覆材（レジスト膜）を金属板２の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部２ａを形成することができる。そのため、上述した被覆材を用いためっき法による金属皮膜３の形成の前に凹部２ａの形成を行なうことで、効率よく凹部２ａと金属皮膜３の形成ができる。
具体的には、例えば以下のようにして金属板２に凹部２ａを形成することができる。まず、セラミック基板１に接合された金属板２の表面に、開口を有する被覆膜を形成する。被覆膜の形成は、金属板２の表面上に、液状のレジスト材を塗布して乾燥して形成してもよいし、ドライフィルムレジストを貼り付けて形成してもよい。レジスト膜の開口は、露光・現像によって行なうことができる。あるいは、液状の被覆材をスクリーン印刷によって、開口を有する形状に印刷して被覆膜を形成してもよい。次に、めっき前処理も兼ねて、硫酸、塩酸、塩化ヒドロキシルアンモニウムなどの酸性水溶液でレジスト膜の開口内に露出している金属板２の表面の酸化膜を除去して、アルカリにて脱脂処理をする。そして、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどのエッチング液にて金属板２の表面をエッチングして凹部２aを形成する。凹部２aの深さは、エッチング液濃度やエッチング時間などによって調節することができる。また、底面より開口の方が小さい凹部２ａは、レジスト膜で覆われた部分の一部までエッチングする、いわゆるオーバーエッチングによって形成することができる。オーバーエッチングもまた、エッチング液濃度やエッチング時間などの調節によって行なうことができる。
金属板２の凹部２ａの底面の結晶粒界部の凹み２ｃは、エッチングによって形成することができる。例えば、上述の凹部２ａの形成と同時に形成することができる。エッチング液の種類や濃度、エッチング時間等のエッチング条件を調整することにより、金属結晶粒２ｂより結晶粒界部を深くエッチングすることができる。あるいは、金属板２の表面に凹部２ａを形成した後、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどの比較的弱いエッチング液で結晶粒界部をエッチングすることで結晶粒界部の凹み２ｃを形成することができる。
切削加工で金属板２の凹部２ａの底面に細かい網目状の凹みを形成することは、凹部２ａが小さいことなどから困難である。研磨加工やブラスト加工等でも凹部２ａの底面に点状の凹みを有する凹凸面を形成することができるが、小さい凹部２ａの底面に細かい網目状の凹みを形成することは困難である。結晶粒界部の凹み２ｃが網目状であることで、金属皮膜３が結晶粒界部の凹み２ｃに入り込む部分の形状が壁状となり、接合材１１ａの金属皮膜３の凹み３ａに入り込む部分の形状も壁状となる。結晶粒界部の凹み２ｃまたは金属皮膜３の凹み３ａに入り込んでアンカーとして機能する部分が壁状であるので、アンカーとして機能する部分が点状である場合に比較してより効果的に機能して接合強度が向上する。比較的小さい凹部２ａの底面の網目状の凹み２ｃは、上述したようなエッチングにより、容易かつ低コストで形成することができる。なお、結晶粒界部の凹み２ｃおよび金属皮膜３の凹み３ａは、全体として網目状であればよく、途中で分断された部分を有していてもよい。
金属板２の凹部２ａの底面の結晶粒界部の凹み２ｃは、例えば開口幅が３μｍ～１０μｍ程度で、凹部２ａの底面からの深さが２μｍ～２０μｍである。結晶粒界部の凹み２ｃの網目の形状および大きさは、金属板２の凹部２ａの底面に露出する金属結晶粒２ｂの形状および大きさによるものであり、形状は多角形状で最大長さは例えば１００μｍ～６００μｍである。最大長さとは、多角形の外寸のうち最長となる長さであり、例えば矩形状の場合は対角長さである。また、このときの金属皮膜３の凹み３ａは、例えば開口幅が１μｍ～１０μｍ程度で、凹部２ａの底面からの深さが１μｍ～２０μｍである。
また、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板２（２３）の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板２（２３）をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。
上記のようなパワーモジュール用基板１０に電子部品１１を搭載することで、図１に示す例のようなパワーモジュール１００となる。パワーモジュール１００は、例えば、自動車などに用いられ、ＥＣＵ（engine control unit）およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール１００は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
図１に示す例のパワーモジュール１００においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２（２１）の上に、間隔をあけて２つの金属皮膜３が設けられ、２つの金属皮膜３のそれぞれの上に電子部品１１が１つずつ搭載されている。電子部品１１が搭載された金属板２（２１）を挟むように配置されて接合された金属板２（２２）と電子部品１１とはボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。この外側の金属板２（２２）は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品１１で発生した熱は、セラミック基板１の上面に接合された金属板２（２１）およびセラミック基板１を介してセラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）は放熱板として機能する。電子部品１１の数、大きさおよび搭載位置等については、図１に示す例に限られるものではない。
電子部品１１は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばＳｉを用いたＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor－Field Effect Transistor）やＩＧＢＴといったトランジスタ、あるいはＳｉ
ＣやＧａＮを用いたパワー素子があげられる。
電子部品１１は、接合材１１ａによってパワーモジュール用基板１０の金属板２に設けられた金属膜３上に接合されて固定される。接合材１１ａは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。接合材１１ａ上記したように平面視での電子部品１１の大きさが金属膜３の大きさより小さいと、図２～図６に示す例のように、電子部品１１の側面から金属膜３の上面にかけて接合材１１ａのフィレットが形成されるので、電子部品１１の金属板２（金属膜３）への接合強度を高めることができる。また、金属膜３の表面は接合材１１ａによって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂１３の接合性が向上する。
ボンディングワイヤ１２は、電子部品１１の端子電極（不図示）と金属板２（２２）とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ１２としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、いずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。図１に示す例のパワーモジュール１００に対して、封止樹脂等を備えている例である。
図７（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。封止樹脂１３は、不活性な銀層または金層である金属膜３が形成されていない金属板２の上面等に接合されるので、封止樹脂１３による電子部品１１の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂１３は、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）の主面（下面）は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板２（２３）を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール１０１とすることができる。また、端子として機能する金属板２（２２）は、セラミック基板１からはみ出す長さであり、封止樹脂１３からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板２（２２）と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
封止樹脂１３には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
図７（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。
筐体１４は、枠体１５と、この枠体１５の一方の開口を塞ぐ放熱板１６とで構成されており、枠体１５と放熱板１６とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体１４の枠体１５を貫通して外部へ導出されたリード端子１７を備えている。そして、リード端子１７の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２２）とがボンディングワイヤ１２で接続されている。これにより、電子部品１１と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
枠体１５は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板１６により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板１０を収納する内側空間を形成している。枠体１５に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも
、入手しやすさの点から、ＰＢＴ樹脂を用いることが望ましい。また、ＰＢＴ樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
リード端子１７は、内側空間から枠体１５を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子１７の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板１０の金属板２（２２）と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路（図示せず）または電源装置（図示せず）などと電気的に接続される。このリード端子１７は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばＣｕおよびＣｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金、ＦｅおよびＦｅ合金、ステンレススチール（ＳＵＳ）等を用いることができる。
放熱板１６は、動作時に電子部品１１で生じた熱を、パワーモジュール１０２の外部に放熱するためのものである。この放熱板１６には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、ＡｌはＦｅなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品１１で生じた熱をより効率的にパワーモジュール１０２の外部に放熱できるので、電子部品１１を安定して正常に動作させることが可能となる。また、ＡｌはＣｕあるいはＣｕ－Ｗなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール１０２の低コスト化にも有利になる点で優れている。
放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂１３によって接合してもよい。
封止樹脂１３は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂１３で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
パワーモジュール１０２は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板１６の、パワーモジュール用基板１０が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材１９を介して冷却器１８を接合してもよい。この伝熱性接合材１９は上記した、放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図７（ｂ）に示す例では、冷却器１８は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器１８は、図１または図７（ｂ）に示す例のパワーモジュール１００，１０１にも適用することができ、パワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図７（ｂ）に示す放熱板１６だけを冷却器１８として適用することもできる。
パワーモジュール用基板１０は、多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割して作製することもできる。多数個取りパワーモジュール基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板１０（領域）の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品１１を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール１００の生産性を効果的に高めることもできる。
１・・・セラミック基板
２（２１，２２，２３）・・・金属板
２ａ・・・凹部
２ｂ・・・金属結晶粒
２ｃ・・・結晶粒界部の凹み
３・・・金属皮膜
３ａ・・・金属皮膜の凹み
１０・・・パワーモジュール用基板
１１・・・電子部品
１１ａ・・・接合材
１２・・・ボンディングワイヤ
１３・・・封止樹脂
１４・・・筐体
１５・・・枠体
１６・・・放熱板
１７・・・リード端子
１８・・・冷却器
１９・・・伝熱性接合材
１００，１０１，１０２・・・・パワーモジュール

Claims (8)

  1. セラミック基板と、
    該セラミック基板の表面に接合された金属板と、
    該金属板に部分的に設けられた金属皮膜と、を備えており、
    前記金属板は凹部を有しており、
    前記凹部の底面は、複数の結晶粒によって構成されており、
    前記凹部の底面において結晶粒界部の少なくとも一部は凹んでおり、
    前記結晶粒界部の凹みは、前記凹部の底面において網目状に形成されており、
    前記金属皮膜は前記凹部の底面に設けられており、
    前記金属皮膜は、前記セラミック基板側に突出する網目状の部分を有しているパワーモジュール用基板。
  2. 前記金属皮膜の側面が、前記凹部の内側面に接している請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
  3. 前記金属皮膜の厚みが、前記凹部の深さより小さい請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
  4. 前記凹部は、底面より開口の方が小さい請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  5. 前記金属皮膜の前記網目状の部分が前記結晶粒界部の前記凹みの内面を覆って密着している請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  6. 前記金属皮膜の表面は、前記結晶粒界部の凹みの上部において凹んでいる請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
  7. 前記金属皮膜の表面が銀層からなる請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか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金属皮膜上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。
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