JP7405806B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を備えるパワーモジュールに関する。
電鉄用、発電用、電気自動車／ハイブリッド自動車用モーター等の高出力モーターを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールが使用される。パワーモジュールとしては、Ｓｉ等の半導体素子とＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等のセラミックス絶縁基板と、熱伝導性に優れる、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ－ＳｉＣベース板等とが半田付けされ、配線、電極、樹脂ケースを取り付けた後、シリコーンゲル等で充填される構造を有するものが主流である（特許文献１）。
通常、パワーモジュールは、ヒートシンク等の放熱部品に放熱グリース等を介してネジ止めされて使用される。高出力用途のパワーモジュールにおいては、半導体素子からの発熱量が多く、如何に効率的に放熱するかが重要な課題であり、放熱が十分でない場合には、半導体素子温度が許容温度を超え、誤作動等を発生することがある。特に、パワーモジュール全体の熱抵抗に占める放熱グリース部分の熱抵抗の割合が大きく、この部分の熱抵抗を如何に下げるかが重要である。
セラミックス絶縁基板は、セラミックス材料の影響で、セラミックス絶縁基板自体が線熱膨張係数の比較的小さい部品であり、線熱膨張係数の比較的大きいＣｕ等の金属ベース板に半田付けした場合、ベース板の放熱面の形状が凹状の反りになったり、放熱面に凹みが発生したりすることがある。このため、このような用途のベース板として、熱伝導性が高く、接合されるセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数を有する、アルミニウム又はアルミニウム合金と炭化珪素とからなる複合体が用いられている（特許文献２）。
上記の用途で、平坦なベース板を用いる場合、ベース板とセラミックス絶縁基板との熱膨張係数の違いから、両者の接合時に発生する応力やその後の樹脂封止等によるパッケージ化の際に発生する応力のため、放熱部品等と密着させる側のベース板面が凹状に反ってしまい、放熱フィンをベース板に固定する際、十分な密着性が得られない。この問題を解決する手段として、放熱フィン等と接合させるベース板の板面を予め凸型に反らせておく反り付け加工の技術が知られている（特許文献３）。
セラミックス絶縁基板の構成は、パワーモジュールの用途や出力、耐圧により選定され、その結果、セラミックス絶縁基板の線熱膨張係数は基板の構成により異なる。また、パッケージ化する過程で接合に用いる半田の種類などが異なることにより、パワーモジュールの放熱面の形状が異なり、目的とする放熱フィン等の放熱部品と密着させる側の面の反りや平面度が適切でなく、放熱フィン等の放熱部品を取り付けた際の空隙、いわゆるエアギャップが生じ、放熱性が低下することが問題となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、放熱部品に好適に密着させることが可能な放熱面を有するパワーモジュールを提供することにある。
本発明は、一態様において、ベース板と、ベース板上に接合され、セラミックス基材とセラミックス基材の両面のそれぞれに設けられた少なくとも一層の金属層とを有するセラミックス絶縁基板と、セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールであって、ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面が凸状の反りを有し、金属層の最外層には、圧縮応力又は４０ＭＰａ以下の引張応力が残留している、パワーモジュールである。
セラミックス絶縁基板に接合されたベース板の反りの大きさと、セラミックス絶縁基板に接合される前のベース板の反りの大きさとの差は、長さ１０ｃｍあたり２０μｍ以下であってよい。
セラミックス基材は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成された、厚み０．３～１．５ｍｍのセラミックス基材であってよく、金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏ含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成された、厚み０．１～２ｍｍの金属層であってよい。
ベース板は、Ａｌ又はＭｇを含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板からなり、ベース板の線熱膨張係数は５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上であってよい。
ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面は、機械加工又は研削加工されていてよい。
ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面に放熱部品が取り付けられたときの当該面の平面度は、好ましくは３０μｍ以下である。
半導体素子は、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されていてよい。
上記のパワーモジュールは、電車又は自動車の駆動インバータとして用いられてよい。
本発明は、放熱部品に好適に密着させることが可能な放熱面を有するパワーモジュールを提供することができる。これにより、放熱性に富むパワーモジュールの提供も可能となる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは自明である。
図１は、パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、パワーモジュール１は、ベース板２と、ベース板２上に第１の半田３を介して接合されたセラミックス絶縁基板４と、セラミックス絶縁基板４上に第２の半田５を介して接合された半導体素子６とを備えている。
セラミックス絶縁基板４は、セラミックス基材７と、セラミックス基材７の一方の面に設けられた第１の金属層８と、セラミックス基材７の他方の面に設けられた第２の金属層９とを備えている。すなわち、セラミックス基材７の両面には、それぞれ金属層８，９が設けられている。少なくとも第２の金属層９は、電気回路（金属回路）を形成している。第１の金属層８は、電気回路（金属回路）を形成していてもよく形成していなくてもよい。ベース板２は、第１の半田３を介して第１の金属層８に接合されている。半導体素子６は、第２の半田５を介して第２の金属層９の所定の部分に接合されていると共に、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ１０で第２の金属層９の所定の部分に接続されている。
ベース板２上に設けられた上記の各構成要素は、例えば一面が開口した中空箱状の樹脂製の筐体１１で蓋され、筐体１１内に収容されている。ベース板２と筐体１１との間の中空部分には、シリコーンゲル等の充填材１２が充填されている。第２の金属層９の所定部分には、筐体１１の外部と電気的な接続が可能なように、筐体１１を貫通する電極１３が第３の半田１４を介して接合されている。
ベース板２の縁部には、パワーモジュール１に例えば放熱部品を取り付ける際のネジ止め用の取付け穴２ａが形成されている。取付け穴２ａの数は、例えば４個以上である。ベース板２の縁部には、取付け穴２ａに代えて、ベース板２の側壁が断面Ｕ字状となるような取付け溝が形成されていてもよい。
ここで、パワーモジュール１に放熱部品を取り付ける場合について説明する。図２は、放熱部品が取り付けられたパワーモジュール（便宜的に「放熱部品付きパワーモジュール」ともいう）の一実施形態を示す断面図である。図２に示すように、放熱部品付きパワーモジュール２１は、上述したパワーモジュール１と、パワーモジュール１のベース板２側に取り付けられた放熱フィン等の放熱部品２２とを備えている。放熱部品２２は、ベース板２に形成された取付け穴２ａに挿入されたネジ（ボルト）２３によってパワーモジュール１（ベース板２）にネジ止めされている。放熱部品２２のパワーモジュール１側の面は、略平面状になっている。
パワーモジュール１のベース板２と放熱部品２２との間には、両者の密着性を確保するために、グリース（放熱グリース）２４が配置されている。グリース２４は、通常１～２Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有しており、放熱部品付きパワーモジュール２１の構成部材の中で最も大きな熱抵抗となる。つまり、パワーモジュール１の放熱性を高めるには、このグリース２４の熱抵抗をできる限り小さくすることが重要である。
このためには、グリース２４として熱伝導率の高い放熱グリースを用いると共に、このグリース２４の層の厚みを薄くすることが有効である。ところが、グリース２４の層の厚みを極端に薄くすると、パワーモジュール１の稼働時の熱負荷による変形等にグリース２４が追随できず、パワーモジュール１と放熱部品２２との間に空気層が発生する場合があり、その結果、パワーモジュール１の放熱特性が極端に悪化し、半導体素子６の破損等に繋がることがある。理想的には、グリース２４は均一な薄膜状であり、このためには、パワーモジュール１におけるベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの形状が重要である。
具体的には、パワーモジュール１と放熱フィン等の放熱部品２２とをネジ止めした際に、パワーモジュール１の放熱面の平面度が小さいことが好ましい。この平面度が大きいと、部分的にグリース２４の厚みが厚くなり、グリース２４による熱抵抗が増大して、十分な放熱特性が得られない。このため、パワーモジュール１においては、放熱部品２２が取り付けられた際にベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの平面度は、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。当該平面度が３０μｍ以下であると、上述したとおり、グリース２４が均一な薄膜状になりやすく、パワーモジュール１において十分な放熱特性が得られる。
なお、上記の平面度は、ＪＩＳ Ｂ０６２１に準拠して測定された平面度を意味する。より具体的には、当該平面度は、穴を開けた放熱部品２２又はそれを模擬した樹脂部材をベース板２に取り付けた状態で、当該穴より接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出するか、あるいは、透明な放熱部品２２又はそれを模擬した樹脂部材をベース板２に取り付けた状態で、非接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出することができる。これらの場合において、取り付けられる放熱部品２２又はそれを模擬した樹脂部材としては、ベース板２側の面の平面度が０～５μｍであるものを用いることとし、平面度は、放熱部品２２又はそれを模擬した樹脂部材が、少なくとも４個のネジ（ボルト）を用いてトルク１０Ｎでベース板２にネジ止めされた状態で測定するものとする。
放熱部品２２が取り付けられたパワーモジュール１におけるベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面（放熱面）２ｂの平面度が上記の範囲内とするために、パワーモジュール１においては、図１に示すように、ベース板２のセラミックス絶縁基板４と反対側の面２ｂが、放熱部品２２が取り付けられていない状態で、凸状（凸型）の反り２ｃを有している。ベース板２の放熱面２ｂが凸状の反り２ｃを有していることにより、放熱部品２２等にネジ止めした際に、ベース板２の中央部にも十分に応力が加わるようになる。ベース板２の放熱面２ｂの反り２ｃの大きさ（反り量）は、ベース板２の任意の位置における放熱面２ｂ方向の長さＬ＝１０ｃｍあたりの反りの大きさＷとして、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。反り量が５０μｍ以下であると、パワーモジュール１を放熱部品２２にネジ止めした際の変形量が大きくなり過ぎることを抑制し、セラミックス絶縁基板４のセラミックス基材７が破損する等の問題を生じにくくさせることができる。
パワーモジュール１におけるベース板２の放熱面２ｂの形状（反り量）は、主に、ベース板２自体の初期形状（反り量）、及び、ベース板２にセラミックス絶縁基板４を第１の半田３で接合した際の変形量（反り変化量）により決まる（なお、厳密には、筐体１１をベース板２に接着した際の応力によっても若干の影響を受ける）。
ベース板２自体の初期形状に関して、ベース板２のセラミックス絶縁基板４接合前の反り量は、ベース板２の放熱面２ｂ方向の長さ１０ｃｍあたりの反りの大きさとして、好ましくは３０～１００μｍ、より好ましくは３０～５０μｍである。
ベース板２にセラミックス絶縁基板４を第１の半田３で接合した際の反り変化量は、第１の半田３にかかる応力を低減させ、パワーモジュール１におけるベース板２の放熱面２ｂの形状の制御が更に容易になる観点から、ベース板２の放熱面２ｂ方向における長さ１０ｃｍに対する反り変化量として、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下である。当該反り変化量は、セラミックス絶縁基板４に接合する前のベース板２の反り量と、セラミックス絶縁基板４に接合した後のベース板２の反り量との差の絶対値として定義される。
以上のような反りに関する特性を得るために、ベース板２の放熱面２ｂは、平板状に形成した後、機械加工又は研削加工、あるいは所望する形状の型を用いた加工により成形されていてもよい。
ここで、ベース板２にセラミックス絶縁基板４を接合した際の変形は、接合温度（第１の半田３が固化した温度）から室温に戻る際に、ベース板２及びセラミックス絶縁基板４の熱膨張差により発生する応力及びセラミックス絶縁基板４における金属層８，９の残留応力によって生じる。この際の変形量（反り変化量）を抑えるためには、一般に線熱膨張係数の小さいセラミックス絶縁基板４と、それに近い線熱膨張係数を有するベース板２とを使用することが有効である。
このようなセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数（低線熱膨張係数）を有するベース板２は、好ましくは、Ａｌ又はＭｇを主成分として（例えば８５質量％以上）含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金（Ｃｕ／Ｍｏ，Ｃｕ／Ｗ合金）、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板（Ｃｕ／Ｍｏ，Ｃｕ／Ｗ多層金属板）からなっている。
このようなベース板２の温度１５０℃から２５℃の降温時の線熱膨張係数は、セラミックス絶縁基板４との接合時の変形抑制の点から、好ましくは５×１０－６～９×１０－６／Ｋ、より好ましくは５×１０－６～８×１０－６／Ｋである。なお、第１の半田３による接合後の冷却過程におけるベース板２とセラミックス絶縁基板４との熱膨張の違いが重要であるため、線熱膨張係数としては、温度１５０℃から２５℃の降温時の値を用いる。線熱膨張係数は、熱膨張計（例えば、セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）により、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準拠して、降温速度が５℃／分以下の条件で測定された線熱膨張係数を意味する。
ベース板２の熱伝導率は、好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上である。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法（例えば、理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂを使用）により、ＪＩＳ Ｒ１６１１に準拠して測定された熱伝導率を意味する。
ベース板２のヤング率は、好ましくは１００～４００ＧＰａ、より好ましくは２００～３５０ＧＰａである。ヤング率は、３点曲げ法（例えば、島津製作所社製；オートグラフＡＧ－Ｘを使用）により、ＪＩＳ Ｒ１６０２に準拠して測定されたヤング率を意味する。
ベース板２の平面度は、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下である。ベース板２の平面度は、ＪＩＳ Ｂ０６２１に準拠して測定された平面度を意味する。
セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、セラミックス基材７と金属層８，９の構成及び物性値に加え、セラミックス基材７に金属層８，９を接合する温度から室温に戻る際に、セラミックス基材７に金属層８，９の熱膨張の違いにより発生する残留応力によって決まる。このため、例えば、同一構成のセラミックス絶縁基板４であっても、接合方法により、金属層８，９の残留応力が異なる。一般に、金属層８，９は、温度８００℃程度の高温で活性金属法によりロウ付けしてセラミックス基材７に形成されることが多く、この場合、室温に冷却する過程で、線熱膨張係数の大きい金属層８，９に引張応力が残留する。その結果、得られるセラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、構成するセラミックス基材７と金属層８，９の物性値から計算した線熱膨張係数より小さい値となる。
一方で、ベース板２の線熱膨張係数を上述のとおり小さくするためには、金属基複合材を用いる場合、線熱膨張係数の小さいセラミックスの比率を上げる必要があり、製造が難しくなると同時に高価になってしまうという問題がある。また、Ｃｕ／Ｍｏ，Ｃｕ／Ｗ等の合金又は多層金属板を用いる場合、線熱膨張係数を下げようとすると熱伝導率の低いＭｏやＷの比率を上げる必要があり、熱伝導率が低下すると共に材料が高価になり、密度が増加して材料自体が重くなる問題がある。このような観点からは、セラミックス絶縁基板４の残留応力や線熱膨張係数を調整することが有効である。
セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数を大きくする手法としては、線熱膨張係数の大きい金属層８，９の厚みを厚くすることが有効であるが、この場合、セラミックス基材７に対する引張応力が大きくなり、実使用を想定した熱サイクル試験でセラミックス基材７にクラックが入る等の信頼性の面で問題が発生するおそれがある。このため、金属層８，９に残留する引張応力を低減することが有効である。具体的な手法としては、セラミックス基材７と金属層８，９の接合温度を下げることで、金属層８，９に残留する引張応力を低減することが有効である。一方、セラミックス基材７と金属層８，９との接合温度を下げる手法として、接着剤を用いて低温で接着する手法を用いることにより、セラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数を大きくすることはできるが、極端に熱伝導率の低い接着層が存在し、パワーモジュール１としての放熱性に問題が生じるおそれがある。このため、セラミックス基材７の表面に活性金属法等により薄い金属層を形成した後に、所定の厚みの金属を低温で接合する手法や低温溶射法により金属層８，９を形成する手法が有効である。
このようなセラミックス絶縁基板４における金属層８，９（第１の金属層８及び第２の金属層９の両方）の最外層には、圧縮応力又は４０ＭＰａ以下の引張応力が残留するように調整される。なお、金属層８，９の最外層とは、金属層８，９がそれぞれ一層で構成されている場合には当該一層を指し、金属層８，９がそれぞれ二層以上で構成されている場合には、二層以上のうち最も外側の（セラミックス基材７から最も遠い）層を指す。これにより、ベース板２にセラミックス絶縁基板４を接合した際の変形量（反り変化量）を抑えることができ、パワーモジュール１の放熱面２ｂの形状を好適に制御できる。
金属層８，９の最外層の残留応力が４０ＭＰａを超える引張応力である場合、セラミックス絶縁基板４をベース板２に半田付けしたときの冷却過程でベース板２に対し引張応力が働き、ベース板２の反り形状がマイナス側（凹状）に大きく変化し、パワーモジュール１の放熱面２ｂを所望の形状とすることが難しくなる。金属層８，９の最外層に残留する引張応力は、好ましく３０ＭＰａ以下、より好ましく２０ＭＰａ以下である。金属層８，９の最外層の残留応力は、実施例に記載のＸ線回折による測定方法により評価される。
このようなセラミックス絶縁基板４の線熱膨張係数は、好ましくは５×１０－６～９×１０－６／Ｋ、より好ましくは５×１０－６～８×１０－６／Ｋである。セラミックス基材７の熱伝導率は、好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは８０Ｗ／ｍＫ以上、更に好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上である。このようなセラミックス絶縁基板４を得るためには、例えば、セラミックス基材７は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成されており、金属層８，９は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏ含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されている。セラミックス基材７の厚みは、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、より好ましくは０．３～１．２ｍｍ、更に好ましくは０．６～１．０ｍｍである。金属層８，９の厚みは、好ましくは０．２～２ｍｍ、より好ましくは０．２～１．２ｍｍ、更に好ましくは０．３～１．０ｍｍである。
以上説明したパワーモジュール１は、ベース板２の放熱面２ｂの形状が適正に制御されており、放熱特性に優れるため、Ｓｉに加え、高出力化が可能なＳｉＣ、ＧａＮ半導体素子を使用したパワーモジュールに対しても好適である。すなわち、半導体素子６は、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されていてよい。また、パワーモジュール１は、高耐圧、高出力等が要望される電車又は自動車の駆動インバータとして好適に用いられる。
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜ベース板＞
実施例及び比較例では、表１に示すベース板１～１１を用いた。各ベース板は、市販の材料を研削加工により所定形状に加工した後、無電解Ｎｉめっきを施したものを用いた。表中の各物性値を測定するために、研削加工により熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ×厚さ３ｍｍ）、線熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍ）、弾性率測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×長さ４０ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂ）により、温度１５０℃から２５℃における降温時の線熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）により、ヤング率を３点曲げ法（島津製作所社製；オートグラフＡＧ－Ｘ）で測定した。また、放熱面の反り量については、３次元輪郭形状測定機（東京精密社製；コンターレコード１６００Ｄ－２２）を用いて測定した。さらに平面度については、透明な樹脂ブロックに締め付けトルク１０Ｎでネジ止めした後、レーザー変位計（キーエンス社製；ＬＴ９０１０Ｍ）で放熱面の形状を測定して求めた。
実施例及び比較例では、表１に示すベース板１～１１を用いた。各ベース板は、市販の材料を研削加工により所定形状に加工した後、無電解Ｎｉめっきを施したものを用いた。表中の各物性値を測定するために、研削加工により熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ×厚さ３ｍｍ）、線熱膨張係数測定用試験体（直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍ）、弾性率測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×長さ４０ｍｍ）を作製した。それぞれの試験片を用いて、２５℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法（理学電機社製；ＬＦ／ＴＣＭ－８５１０Ｂ）により、温度１５０℃から２５℃における降温時の線熱膨張係数を熱膨張計（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ３００）により、ヤング率を３点曲げ法（島津製作所社製；オートグラフＡＧ－Ｘ）で測定した。また、放熱面の反り量については、３次元輪郭形状測定機（東京精密社製；コンターレコード１６００Ｄ－２２）を用いて測定した。さらに平面度については、透明な樹脂ブロックに締め付けトルク１０Ｎでネジ止めした後、レーザー変位計（キーエンス社製；ＬＴ９０１０Ｍ）で放熱面の形状を測定して求めた。
＜セラミックス絶縁基板＞
実施例及び比較例では、図３（ａ）に示す３層構造のセラミックス絶縁基板４Ａ、又は図３（ｂ）に示す５層構造のセラミックス絶縁基板４Ｂである絶縁基板１～１２を用いた。各絶縁基板の詳細を下記及び表２に示す。
・絶縁基板１～３（３層構造）では、Ａｇ（９０％）－Ｃｕ（１０％）－ＴｉＨ２（３．５％）ろう材を用いて、温度８００℃で金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板４（５層構造）は、絶縁基板１～３と同様の手法で金属回路８ａ，９ａを形成した後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路８ｂ，９ｂを積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板５（５層構造）では、絶縁基板１～３と同様の手法で金属回路を形成した後、融点３００℃の高温半田で回路金属を接合した後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板６（３層構造）は、Ａｌ－Ｃｕクラッド箔をろう材とし用い温度６３０℃で回路金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板７（５層構造）は、絶縁基板６と同様の手法で金属回路を形成した後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板８（３層構造）は、溶射法（コールドスプレー法）でアルミニウム回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板９～１１（５層構造）は、溶射法（コールドスプレー法）でアルミニウム回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板１２（５層構造）は、絶縁基板９と同様の手法で金属回路を形成した後、アニール処理を実施せずに無電解Ｎｉめっきを施した。
実施例及び比較例では、図３（ａ）に示す３層構造のセラミックス絶縁基板４Ａ、又は図３（ｂ）に示す５層構造のセラミックス絶縁基板４Ｂである絶縁基板１～１２を用いた。各絶縁基板の詳細を下記及び表２に示す。
・絶縁基板１～３（３層構造）では、Ａｇ（９０％）－Ｃｕ（１０％）－ＴｉＨ２（３．５％）ろう材を用いて、温度８００℃で金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板４（５層構造）は、絶縁基板１～３と同様の手法で金属回路８ａ，９ａを形成した後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路８ｂ，９ｂを積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板５（５層構造）では、絶縁基板１～３と同様の手法で金属回路を形成した後、融点３００℃の高温半田で回路金属を接合した後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板６（３層構造）は、Ａｌ－Ｃｕクラッド箔をろう材とし用い温度６３０℃で回路金属をセラミックス基材７に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板７（５層構造）は、絶縁基板６と同様の手法で金属回路を形成した後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板８（３層構造）は、溶射法（コールドスプレー法）でアルミニウム回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板９～１１（５層構造）は、溶射法（コールドスプレー法）でアルミニウム回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った後、溶射法（コールドスプレー法）で銅回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施した。
・絶縁基板１２（５層構造）は、絶縁基板９と同様の手法で金属回路を形成した後、アニール処理を実施せずに無電解Ｎｉめっきを施した。
各絶縁基板の熱伝導率は、セラミック基材から熱伝導率測定用試験体（直径１１ｍｍ×板厚）を作製して測定した。
各絶縁基板の金属層の最外層における残留応力は、Ｘ線回折法を用いて金属層の中央部のＸ線回折パターンを測定し、その結果に基づき評価した。応力評価にはｓｉｎ２ψ法（並傾法、ψ一定法）を用い、銅の３３１回折線を解析した。具体的には、多目的試料アタッチメントを取り付けたＸ線回折装置（リガク社製；Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ型）の試料板にセラミックス絶縁基板を貼り付け、以下の測定条件で測定した。
・Ｘ線源：ＣｕＫα線（多層膜ミラーを使用した平行ビーム光学系）
・Ｘ線管の電圧および電流：４０ｋＶおよび４０ｍＡ
・Ｘ線入射側スリット：発散スリットは１ｍｍ、縦制限スリットは１０ｍｍ
・Ｘ線受光側スリット：散乱スリットおよび受光スリットは開放。平行スリットアナライザーは開口角度０．５°
・垂直発散制限ソーラースリット：Ｘ線入射側、受光側ともに開口角度５°
・検出器：シンチレーションカウンター
・測定範囲（２θ）：１３４°～１３９．５°
・測定ステップ幅：０．０２°
・計数時間：測定ステップあたり５秒
・試料面法線と回折面法線のなす角ψ：ｓｉｎ２ψが０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５となるように設定。なお、測定精度を上げる目的で±５°以内で搖動をかけることもある。
・Ｘ線源：ＣｕＫα線（多層膜ミラーを使用した平行ビーム光学系）
・Ｘ線管の電圧および電流：４０ｋＶおよび４０ｍＡ
・Ｘ線入射側スリット：発散スリットは１ｍｍ、縦制限スリットは１０ｍｍ
・Ｘ線受光側スリット：散乱スリットおよび受光スリットは開放。平行スリットアナライザーは開口角度０．５°
・垂直発散制限ソーラースリット：Ｘ線入射側、受光側ともに開口角度５°
・検出器：シンチレーションカウンター
・測定範囲（２θ）：１３４°～１３９．５°
・測定ステップ幅：０．０２°
・計数時間：測定ステップあたり５秒
・試料面法線と回折面法線のなす角ψ：ｓｉｎ２ψが０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５となるように設定。なお、測定精度を上げる目的で±５°以内で搖動をかけることもある。
残留応力σの算出には、下記式を用いた。下記式において、Ｅはヤング率であり、νはポアソン比であり、θ０は試料が無ひずみ状態のときの回折線角度である。金属層の最外層が銅である場合、残留応力σの算出にあたって、Ｅ＝１２７２００ＭＰａ、ν＝０．３６４、２θ０＝１３６．８８２°とした。金属層の最外層がアルミニウムである場合、残留応力σの算出にあたって、Ｅ＝６８９００ＭＰａ、ν＝０．３４５、２θ０＝１３７．４５１°とした。Δ（２θ）／Δ（ｓｉｎ２ψ）は２θ－ｓｉｎ２ψプロットを直線近似して算出した。なお、残留応力の符号がマイナスである場合は圧縮応力を、プラスである場合は引張応力をそれぞれ意味する。
［実施例１］
セラミックス絶縁基板として表２の絶縁基板９を用い、Ｓｉ半導体素子及び電極を高温半田で絶縁基板１１に接合した後、この絶縁基板４枚を表１のベース板３に共晶半田を用いて接合した。次に、Ａｌ線をＳｉ半導体素子とセラミックス絶縁基板に超音波接合して配線した後、樹脂筐体をベース板に接着剤で接着した後、樹脂筐体内にシリコーンゲルを充填してパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２４μｍであった。
セラミックス絶縁基板として表２の絶縁基板９を用い、Ｓｉ半導体素子及び電極を高温半田で絶縁基板１１に接合した後、この絶縁基板４枚を表１のベース板３に共晶半田を用いて接合した。次に、Ａｌ線をＳｉ半導体素子とセラミックス絶縁基板に超音波接合して配線した後、樹脂筐体をベース板に接着剤で接着した後、樹脂筐体内にシリコーンゲルを充填してパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２４μｍであった。
次に、このパワーモジュールを、６本のＭ６の取り付けボルトで１３０ｍｍ×１４０ｍｍ×５０ｍｍの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク１０Ｎで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、１０μｍであった。また、得られたパワーモジュールは、温度－４０℃×３０分と温度１２５℃×３０分を１サイクルとする１０００回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。
［実施例２～１７及び比較例１～４］
表３に示す絶縁基板とベース板を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表３に示す。なお、反り量又は反り変化量の符号がマイナスである場合は、放熱面が凹状の反りを有していた又は凹状となる方向に反りの形状が変化したことを意味する。また、比較例８は、得られたパワーモジュールを樹脂ブロックに締め付けた際に、セラミックス基材の破損があり、電気特性に異常が発生した。
表３に示す絶縁基板とベース板を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表３に示す。なお、反り量又は反り変化量の符号がマイナスである場合は、放熱面が凹状の反りを有していた又は凹状となる方向に反りの形状が変化したことを意味する。また、比較例８は、得られたパワーモジュールを樹脂ブロックに締め付けた際に、セラミックス基材の破損があり、電気特性に異常が発生した。
［実施例１８］
半導体素子としてＳｉＣ半導体素子を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２５μｍであった。次に、このパワーモジュールを、６本のＭ６の取り付けボルトで１３０ｍｍ×１４０ｍｍ×５０ｍｍの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク１０Ｎで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、１０μｍであった。また、得られたパワーモジュールは、温度－４０℃×３０分と温度１７５℃×３０分を１サイクルとする１０００回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。
半導体素子としてＳｉＣ半導体素子を用いた以外は、実施例１と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を３次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ１０ｃｍに対する反り量が２５μｍであった。次に、このパワーモジュールを、６本のＭ６の取り付けボルトで１３０ｍｍ×１４０ｍｍ×５０ｍｍの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク１０Ｎで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、１０μｍであった。また、得られたパワーモジュールは、温度－４０℃×３０分と温度１７５℃×３０分を１サイクルとする１０００回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。
１…パワーモジュール、２…ベース板、２ａ…ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面（放熱面）、２ｃ…ベース板の放熱面の反り、４…セラミックス絶縁基板、６…半導体素子、７…セラミックス基材、８…第１の金属層、９…第２の金属層。
Claims (7)
- ベース板に、セラミックス基材と前記セラミックス基材の両面のそれぞれに設けられた少なくとも一層の金属層とを有するセラミックス絶縁基板を接合する工程と、
前記セラミックス絶縁基板上に半導体素子を接合する工程と、を備えるパワーモジュールの製造方法であって、
前記ベース板に接合される前の前記セラミックス絶縁基板の前記金属層の最外層には、圧縮応力又は４０ＭＰａ以下の引張応力が残留しており、
前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面が凸状の反りを有し、
前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面に放熱部品が取り付けられたときの当該面の平面度が３０μｍ以下である、パワーモジュールの製造方法。 - 前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面の反り量が、長さ１０ｃｍあたり５０μｍ以下である、請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。
- 前記セラミックス基材は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成された、厚み０．３～１．５ｍｍのセラミックス基材であり、
前記金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＭｏ含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成された、厚み０．１～２ｍｍの金属層である、請求項１又は２に記載のパワーモジュールの製造方法。 - 前記ベース板は、Ａｌ又はＭｇを含む金属と、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＡｌＮからなる群より選ばれる少なくとも１種とからなる金属基複合体、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷを含む合金、又は、Ｃｕ及びＭｏ若しくはＣｕ及びＷで形成された多層金属板からなり、
前記ベース板の線熱膨張係数が５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。 - 前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面が、機械加工又は研削加工されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
- 前記半導体素子が、Ｓｉ、ＳｉＣ及びＧａＮのいずれかで形成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
- 前記パワーモジュールが、電車又は自動車の駆動インバータとして用いられる、請求項１～６のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
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