JPH0936277A - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
パワーモジュール用基板及びその製造方法Info
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Abstract
を防止し、小型にでき、比較的軽くかつ放熱特性を向上
させる。 【解決手段】Al2O3又はAlNにより形成されたセラ
ミック基板13に可塑性多孔質金属層17を介して回路
基板18が積層接着される。セラミック基板の裏面には
必要に応じて金属薄板14が接着される。可塑性多孔質
金属層17は気孔率20〜50%のCu,Al又はAg
の多孔質焼結体であることが好ましい。回路基板がCu
により形成されると可塑性多孔質金属層はAg−Cu−
Tiろう材により接合され、回路基板がAlにより形成
されると可塑性多孔質金属層はAl−Siろう材により
接合されることが好ましい。可塑性多孔質金属層17に
はシリコーングリースが充填される。
Description
ーモジュール用基板及びその製造方法に関するものであ
る。
として、Cu又はAlにより形成された回路基板をセラ
ミック基板に接着するものが知られている。この接着方
法ではセラミック基板と回路基板を直接積層接着する方
法が提案されている。この直接積層接着する方法とし
て、セラミック基板及び回路基板をAl2O3及びCuに
よりそれぞれ形成した場合、セラミック基板と回路基板
とを重ねた状態でこれらに荷重0.5〜2kgf/cm
2を加え、N2雰囲気中で1065℃に加熱するいわゆる
DBC法(Direct Bonding Copper 法)、又はセラミッ
ク基板と回路基板との間にAg−Cu−Tiろう材の箔
を挟んだ状態でこれらに荷重0.5〜2kgf/cm2
を加え、真空中で800〜900℃に加熱するいわゆる
活性金属法がある。
接着する方法では、回路基板をセラミック基板に接着で
きるが、セラミック基板と回路基板との熱膨張係数が異
なるため、パワーモジュール基板に反りを生じたり、熱
サイクルによりセラミック基板に割れを生じたりする問
題点があった。特に電流密度を高めるために回路基板の
断面積を向上させようとすると、比較的薄いセラミック
基板の場合に回路基板の熱による変形力がセラミック基
板の強度を上回ってセラミック基板が破損する恐れがあ
った。これらの点を解消するためにセラミック基板の厚
さを増加させると、質量の増加と形状の大型化を招き、
また熱抵抗値の増大から放熱特性が劣る問題点がある。
本発明の目的は、熱変形を吸収してセラミック基板の反
りや割れを防止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にある。本発明の別の目的は、
セラミック基板を薄くして小型にできかつ比較的軽く放
熱特性を向上させ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にある。
の本発明の構成を、実施例に対応する図1及び図2を用
いて説明する。本発明のパワーモジュール用基板は、図
1又は図2に示すようにセラミック基板13に可塑性多
孔質金属層17を介して回路基板13が接合されたもの
である。本発明のパワーモジュール用基板の製造方法
は、セラミック基板13に金属粉含有スラリーを塗布す
る工程と、金属粉含有スラリーの表面に回路基板18を
重ねる工程と、金属粉含有スラリーを発泡した後に焼成
し圧延して可塑性多孔質金属層を成形する工程とを含
み、金属粉含有スラリーは平均粒径が5〜100μmの
Cu,Al又はAgからなる金属粉と、水溶性樹脂バイ
ンダと、非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤
と、可塑剤と、水とを含むことを特徴とする。
る。また必要に応じてセラミック基板の裏面に金属薄板
14が接着される。金属薄板は厚さ0〜0.5mmのC
u又はAlからなる。
と、水溶性樹脂バインダと、非水溶性炭化水素系有機溶
剤と、界面活性剤と、水とを混練した後、可塑剤を添加
して更に混練して得られる。Cuの可塑性多孔質金属層
では金属粉として平均粒径5〜100μmのCu粉が用
いられ、Alの可塑性多孔質金属層では金属粉として平
均粒径5〜100μmのAl粉と平均粒径5〜100μ
mのCu粉の混合物が用いられ、Agの可塑性多孔質金
属層では金属粉として平均粒径5〜100μmのAg粉
が用いられる。
ース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキ
シエチルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロー
スアンモニウム、エチルセルロース等が用いられ、非水
溶性炭化水素系有機溶剤としてはネオペンタン、ヘキサ
ン、イソヘキサン、ヘプタン等が用いられる。また界面
活性剤としては市販の台所用中性合成洗剤(例えばアル
キルグルコシドとポリオキシエチレンアルキルエーテル
の28%混合水溶液)が用いられ、可塑剤としてはエチ
レングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン
等の多価アルコールや、イワシ油、菜種油、オリーブ油
等の油脂や、石油エーテル等のエーテルや、フタル酸ジ
エチル、フタル酸ジNブチル、フタル酸ジエチルヘキシ
ル、フタル酸ジNオクチル等のエステルが用いられる。
先ず上記(b)の金属粉含有スラリーをドクタブレード法
により成形体にする。次いでこの成形体を5〜100℃
で0.25〜4時間保持して上記成形体中の可塑剤を揮
発させ発泡させた後、50〜200℃で0.5〜1時間
保持し乾燥して薄板状多孔質成形体にする。次にこの多
孔質成形体を所定の雰囲気中で500〜1060℃で
0.5〜4時間加熱して保持し、スケルトン構造を有す
る気孔率90〜93%、厚さ0.5〜5mmの薄板状多
孔質焼結体にする。更にこの多孔質焼結体を厚さ0.2
〜3mmに圧延することにより、気孔率が25〜50%
の可塑性多孔質金属層が得られる。
チング加工により形成される。 (e) 回路基板のセラミック基板への積層接着 可塑性多孔質金属がCuにより形成され、セラミック基
板がAl2O3により形成される場合には、セラミック基
板と可塑性多孔質金属とを重ねた状態でこれらに荷重
0.5〜2kgf/cm2を加え、N2雰囲気中で106
5〜1075℃に加熱するDBC法、又はセラミック基
板と可塑性多孔質金属との間にろう材であるAg−Cu
−Tiろう材の箔を挟んだ状態でこれらに荷重0.5〜
2kgf/cm2を加え、真空中で850〜900℃に
加熱する活性金属法により、可塑性多孔質金属がセラミ
ック基板に積層接着される。
れ、セラミック基板がAlNにより形成される場合に
は、予めセラミック基板を1000〜1400℃で酸化
処理してその表面にAl2O3層を最適な厚さで形成した
後、上記と同様のDBC法又は活性金属法によりセラミ
ック基板に可塑性多孔質金属が積層接着される。更に可
塑性多孔質金属がAlにより形成され、セラミック基板
がAl2O3又はAlNにより形成される場合には、セラ
ミック基板と可塑性多孔質金属との間にろう材であるA
l−Siろう材の箔を挟んだ状態でこれらに荷重0.5
〜2kgf/cm2を加え、真空中で600〜650℃
に加熱することにより、可塑性多孔質金属がセラミック
基板に積層接着される。
延 セラミック基板に金属粉含有スラリーを介して回路基板
を重ねた状態で、5〜100℃で0.25〜4時間保持
して上記スラリー中の可塑剤を揮発させ発泡させた後、
50〜200℃で30〜60分間保持し乾燥して上記ス
ラリーを薄板状多孔質成形体にする。次にこの多孔質成
形体をセラミック基板及び回路基板とともに所定の雰囲
気中で500〜1060℃で0.5〜4時間加熱して保
持し、多孔質成形体をスケルトン構造を有する気孔率9
0〜93%、厚さ0.5〜5mmの薄板状多孔質焼結体
にする。更にこの多孔質焼結体をセラミック基板及び回
路基板とともに圧延して多孔質焼結体の厚さを0.2〜
3mmにすることにより、金属粉含有スラリーから気孔
率25〜50%の可塑性多孔質金属層が成形される。ま
た可塑性多孔質金属層に形成された気孔には金属層の側
面からシリコーングリース、シリコーンオイル又はエポ
キシ樹脂を充填することが好ましい。
は、セラミック基板13と回路基板18との熱膨張係数
が異なっても、可塑性多孔質金属層17がセラミック基
板13や回路基板18の熱変形を吸収するので、セラミ
ック基板13に反りや割れが発生するのを防止できる。
また可塑性多孔質金属層17にシリコーングリース、シ
リコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填することによ
り、可塑性多孔質金属層17での熱伝導率が向上するの
で、放熱特性を損わない。
説明する。 <実施例1>図1に示すように、パワーモジュール用基
板10はセラミック基板13の裏面に厚さ0.3mmの
Cuからなる金属薄板14が接着される。セラミック基
板13の表面には可塑性多孔質金属層17を介して積層
接着されセラミック基板13と異なる熱膨張係数を有す
る回路基板18を備える。セラミック基板13をAl2
O3含有量が96%のセラミック材料により縦、横及び
厚さがそれぞれ30mm、70mm及び0.635mm
の長方形の薄板状に形成し、金属薄板14をCuにより
縦、横及び厚さがそれぞれ30mm、70mm及び0.
3mmの長方形の薄板状に形成した。回路基板18はこ
の例では縦、横及び厚さがそれぞれ26mm、18mm
及び0.3mmの長方形のCuの薄板をセラミック基板
の表面に3枚接着することにより形成した。セラミック
基板13の裏面には金属薄板14をDBC法により接着
した。即ちセラミック基板13の裏面に金属薄板14を
重ねた状態でこれに荷重2.0kgf/cm2を加え、
N2雰囲気中で1065℃に加熱することにより接着し
た。
スラリーを平均粒径40μmのCu粉80gと、水溶性
メチルセルロース樹脂バインダ2.5gと、グリセリン
5gと、界面活性剤0.5gと、水20gとを30分間
混練した後、ヘキサンを1g添加して更に3分間混練し
て調製した。
リーを所定の厚さで塗布し、このスラリーの上面に3枚
の回路基板18を密着させた。この状態で、温度40℃
に30分間保持して上記スラリー中のヘキサンを揮発さ
せて発泡させた後、温度90℃に40分間保持し乾燥し
て上記スラリーを薄板状多孔質成形体にした。次にこの
多孔質成形体をセラミック基板及び回路基板とともに空
気中で500℃に0.5時間加熱して保持した後、水素
中で1030℃に1時間加熱して保持し、多孔質成形体
をスケルトン構造を有する気孔率92〜95%、厚さ3
mmの薄板状多孔質焼結体にした。更にこの多孔質焼結
体をセラミック基板及び回路基板とともに圧延して多孔
質焼結体の厚さを1mmにすることにより、金属粉含有
スラリーから気孔率30%の可塑性多孔質金属層17を
成形した。またこの可塑性多孔質金属層17の気孔に金
属層17の側面からシリコーングリースを充填した。こ
のようにしてパワーモジュール用基板10を作製した。
金属層となる金属粉含有スラリーを平均粒径40μmの
Ag粉100gと、水溶性メチルセルロース樹脂バイン
ダ2.5gと、グリセリン5gと、界面活性剤0.5g
と、水20gとを30分間混練した後、ヘキサンを1g
添加して更に3分間混練して調製した。この金属粉含有
スラリーから以下の方法により可塑性多孔質金属層を成
形した。セラミック基板に上記金属含有スラリーを所定
の厚さで塗布し、このスラリーに回路基板を密着させた
状態で、温度40℃に30分間保持して上記スラリー中
のヘキサンを揮発させて発泡させた後、温度90℃に4
0分間保持し乾燥して上記スラリーを薄板状多孔質成形
体にした。次にこの多孔質成形体をセラミック基板及び
回路基板とともに空気中で900℃に3時間加熱して保
持し、多孔質成形体をスケルトン構造を有する気孔率9
0〜93%、厚さ1mmの薄板状多孔質焼結体にした。
更にこの多孔質焼結体をセラミック基板及び回路基板と
ともに圧延して多孔質焼結体の厚さを0.3mmにする
ことにより、金属粉含有スラリーから気孔率30%の可
塑性多孔質金属層を成形した。この可塑性多孔質金属層
の材質及び成形方法以外は実施例1と同様にしてパワー
モジュール用基板を作成した。
金属層となる金属粉含有スラリーを平均粒径25μmの
Al粉50gと、平均粒径9μmのCu粉1.2gと、
水溶性メチルセルロース樹脂バインダ2.5gと、グリ
セリン5gと、界面活性剤0.5gと、水20gとを3
0分間混練した後、ヘキサンを1g添加して更に3分間
混練して調製した。この金属粉含有スラリーから以下の
方法により可塑性多孔質金属層を成形した。セラミック
基板に上記金属含有スラリーを所定の厚さで塗布し、こ
のスラリーに回路基板を密着させた状態で、温度40℃
に30分間保持して上記スラリー中のヘキサンを揮発さ
せて発泡させた後、温度90℃に40分間保持し乾燥し
て上記スラリーを薄板状多孔質成形体にした。次にこの
多孔質成形体をセラミック基板及び回路基板とともに真
空中で600℃に1時間加熱して保持し、多孔質成形体
をスケルトン構造を有する気孔率93〜96%、厚さ1
mmの薄板状多孔質焼結体にした。更にこの多孔質焼結
体をセラミック基板及び回路基板とともに圧延して多孔
質焼結体の厚さを0.3mmにすることにより、金属粉
含有スラリーから気孔率30%の可塑性多孔質金属層を
成形した。この可塑性多孔質金属層の材質及び成形方法
以外は実施例1と同様にしてパワーモジュール用基板を
作成した。
回路基板をAlにより実施例1の回路基板と同形同大に
形成したことを除いて、実施例3と同様にしてパワーモ
ジュール用基板を作成した。 <実施例5>図2に示すように、この例では、セラミッ
ク基板13の裏面に金属薄板を接着しないことを除い
て、実施例1と同様にしてパワーモジュール用基板40
を作成した。即ち、セラミック基板13の表面にのみ実
施例1で説明した回路基板14が可塑性多孔質金属層1
7を介して接着される。
〜8では、セラミック基板の裏面に金属薄板を接着しな
いことを除いて、実施例2〜4とそれぞれ同様にしてパ
ワーモジュール用基板を作成した。 <実施例9>図示しないが、実施例9では、セラミック
基板の裏面に実施例1と同形同大のAlによる金属薄板
をAl−Siろう材により接着したことを除いて、実施
例4と同様にしてパワーモジュール用基板を作成した。 <実施例10〜18>図示しないが、実施例10〜18
では、セラミック基板をAlNにより形成し、かつ予め
セラミック基板を1300℃で酸化処理してその表面に
Al2O3層を最適な厚さで形成しておいたことを除い
て、実施例1〜9とそれぞれ同様にしてパワーモジュー
ル用基板を作成した。
金属層を用いないことを除いて、実施例1と同一の構成
のパワーモジュール用基板を比較例1とした。即ちパワ
ーモジュール用基板はセラミック基板の下面及び上面に
DBC法によりそれぞれ直接積層接着された回路基板及
び回路基板とを備える。 <比較例2>図示しないが、可塑性多孔質金属層を用い
ないことを除いて、実施例5と同一の構成のパワーモジ
ュール用基板を比較例2とした。即ちパワーモジュール
用基板はセラミック基板の裏面に金属薄板を接着するこ
となく表面にDBC法により回路基板を接着する。上記
実施例1〜16及び比較例1及び2の構成を表1にまと
めた。
較例1及び2のパワーモジュール用基板に−40℃〜1
25℃の温度サイクル条件で0サイクル(温度サイクル
を全く与えない)、10サイクル及び50サイクルの温
度サイクルを与えた後の熱抵抗及びセラミック基板の割
れについて調べた。熱抵抗Rth(℃)は回路基板上に縦
及び横とも15mmの矩形の発熱体(図示せず)を2個
Pb−Snはんだを介して接着し、この発熱体を10W
で発熱させたときの周囲空気温度Ta(℃)と発熱体の
温度Tj(℃)とを測定して式より求めた。 Rth=(Tj−Ta)/10 …… またセラミック基板の割れ率Cr(%)はセラミック基
板から回路基板をエッチングして全て剥がし、顕微鏡で
積層接着周囲の割れの長さLc(mm)とエッチング前
の回路の全周長さLa(mm)を測定して式より求め
た。 Cr=(Lc/La)×100 …… これらの結果を表2に示す。
の方が従来例より著しく低くなっていることが判った。
また熱抵抗は温度サイクル10回以上では実施例の方が
比較例より良くなっていることが判った。なお、上記実
施例ではセラミック基板に金属粉含有スラリーを塗布
し、金属含有スラリーを発泡焼結することにより回路基
板をセラミック基板に接着したが、スラリーを予め可塑
性多孔質金属に発泡焼結した後、ろう材により回路基板
とセラミック基板に接着してもよい。
ラミック基板に可塑性多孔質金属層を介してセラミック
基板と異なる熱膨張係数を有する回路基板を積層接着し
たので、可塑性多孔質金属層が熱変形を吸収してセラミ
ック基板の反りや割れを防止できる。また、可塑性多孔
質金属層が熱変形を吸収する結果セラミック基板を薄く
することが可能になり、パワーモジュール用基板を小型
にでき、比較的軽くかつ放熱特性を向上させることがで
きる。更に、可塑性多孔質金属層が気孔率20〜50%
のCu,Al又はAgの多孔質焼結体であり、この可塑
性多孔質金属層にシリコーングリース、シリコーンオイ
ル又はエポキシ樹脂を充填すれば、回路基板からセラミ
ック基板への放熱特性を損うことがない。
面図。
図。
Claims (8)
- 【請求項1】 Al2O3又はAlNにより形成されたセ
ラミック基板(13)に可塑性多孔質金属層(17)を介して回
路基板(18)が接合されたことを特徴とするパワーモジュ
ール用基板。 - 【請求項2】 セラミック基板(13)の裏面にCu又はA
lからなる金属薄板(14)が接着された請求項1記載のパ
ワーモジュール用基板。 - 【請求項3】 回路基板(18)がCuにより形成され、可
塑性多孔質金属層(17)がAg−Cu−Tiろう材により
接合された請求項1又は2記載のパワーモジュール用基
板。 - 【請求項4】 回路基板(18)がAlにより形成され、可
塑性多孔質金属層(17)がAl−Siろう材により接合さ
れた請求項1又は2記載のパワーモジュール用基板。 - 【請求項5】 可塑性多孔質金属層(17)が気孔率20〜
50%のCu,Al又はAgの多孔質焼結体である請求
項1ないし4いずれか記載のパワーモジュール用基板。 - 【請求項6】 可塑性多孔質金属層(17)にシリコーング
リース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂が充填され
た請求項1ないし5いずれか記載のパワーモジュール用
基板。 - 【請求項7】 セラミック基板(13)に金属粉含有スラリ
ーを塗布する工程と、 前記金属粉含有スラリーの表面に回路基板(18)を重ねる
工程と、 前記金属粉含有スラリーを乾燥して発泡させた後に焼成
し圧延して可塑性多孔質金属層を成形する工程とを含
み、 前記金属粉含有スラリーは平均粒径が5〜100μmの
Cu,Al又はAgからなる金属粉と、水溶性樹脂バイ
ンダと、非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤
と、可塑剤と、水とを含むことを特徴とするパワーモジ
ュール用基板の製造方法。 - 【請求項8】 焼成して成形された可塑性多孔質金属層
にシリコーングリース、シリコーンオイル又はエポキシ
樹脂を充填する工程を更に含む請求項7記載のパワーモ
ジュール用基板の製造方法。
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JP18117695A JP3230181B2 (ja) | 1995-07-18 | 1995-07-18 | パワーモジュール用基板の製造方法及びこの方法により製造されたパワーモジュール用基板 |
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JP18117695A JP3230181B2 (ja) | 1995-07-18 | 1995-07-18 | パワーモジュール用基板の製造方法及びこの方法により製造されたパワーモジュール用基板 |
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ID=16096219
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